Simulação da transmissão em uma fibra SSMF usando a modulação NRZ-DPSK e

Para avaliação da capacidade de transmissão das modulações NRZ-DPSK e RZ-DPSK (50% de duty cycle), em fibras monomodo padrão (SSMF) foi simulado dois sistemas idênticos, conforme observado na Fig. 5.2.1-a, um em cada formato de modulação, utilizando a fibra óptica com as características descritas no item 5.2.

Na Fig. 5.2.1-a temos o diagrama esquemático utilizado na simulação, ele é composto basicamente por um bloco modulador em cada modulação (NRZ-DPSK e RZ-DPSK), com potência média do laser de 1 mW, o sinal modulado é aplicado a um amplificador ideal com potência de saída controlada a 1 dBm, está potência será aplicada na fibra óptica SSMF, seguido por um multiplex ideal (sem perdas), o sinal é então aplicado a fibra óptica SSMF, o qual é recepcionado pelo receptores o qual recebem o sinal óptico e convertem em sinal elétrico e paralelamente calculam a BER (Bit Error Ratio) do sinal recebido após a transmissão.

Na Fig. 5.2.1-b temos o diagrama em blocos do modulador NRZ-DPSK, os dados em NRZ elétricos são convertidos por uma NOR e depois combinados com a sua própria versão com 1 bit de atraso em uma porta XOR. Este sinal elétrico NRZ-DPSK é então usado para modular opticamente a fase em um modulador MZM. O MZM modula a portadora gerada pelo laser (CW) e assim produzir um sinal óptico modulado em NRZ-DPSK. Na Fig. 5.2.1-c temos o diagrama em blocos do modulador RZ-DPSK, o modulador é idêntico ao NRZ-DPSK exceto pelo desbastador de pulso. Em primeiro lugar, um modulador eletro-óptico de fase gera um sinal óptico convencional em NRZ-DPSK e, em seguida, o sinal NRZ-DPSK óptico é modulado por um desbastador de pulso com relógio na mesma taxa de transmissão do sinal elétrico através de um modulador eletro-óptico de intensidade.

Ambos os receptores para a modulação NRZ-DPSK e RZ-DPSK são idênticos e são formados por um detector PIN com responsividade do fotodiodo 1 A/W, ruído térmico do fotodiodo 1.10-12 A/ Hz, filtro passa baixa tipo Bessel de 4ª ordem, e freqüência de corte do filtro passa-baixa do receptor 28 GHz e a banda passante do filtro óptico é de 320 GHz. Na Fig. 5.2.2 é apresentado o diagrama do receptor DPSK.

(a)

(b) Modulador NRZ-DPSK

(c) Modulador RZ-DPSK

Fig. 5.2.1 a) Diagrama esquemático da simulação comparativa entre NRZ-DPSK e RZ-DPSK. b) Diagrama do modulador NRZ-DPSK. c) Diagrama do modulador RZ-DPSK.

Para análise e comparação dos sistemas com modulação NRZ-DPSK e RZ-DPSK foi usado como parâmetro a BER (Bit Error Ratio) versus a distância de transmissão na fibra óptica, similar ao efetuado para as modulações OOK os dados obtidos na simulação podem

ser observados na Fig. 5.2.3. Na Fig. 5.2.3, e no detalhe da Fig. 5.2.4, observa-se que para uma BER de 10-9, ou melhor, usando-se a modulação NRZ-DPSK a distância máxima de transmissão alcançada foi de 1,3 km. Para uma mesma BER, mas com a modulação RZ- DPSK a distância máxima alcançada foi de 5,475 km (detalhe da Fig.5.2.5).

Fig. 5.2.2 Diagrama do receptor DPSK.

Nota-se que a transmissão em uma fibra óptica SSMF das modulações NRZ-DPSK e RZ-DPSK estão sendo severamente limitadas por alguma característica do sistema, mesmo assim a modulação RZ-DPSK apresentou um desempenho 4 vezes melhor que a modulação NRZ-DPSK. Apesar destes 2 sistemas serem idênticos em todos os parâmetros exceto na modulação é verificada que há diferenças nos comportamentos de cada um, devido exclusivamente ao formato de modulação empregado a qual afeta diretamente a distância máxima a ser transmitida com uma determinada BER para cada sistema.

Em comparação aos sistemas OOK, verifica-se que a modulação NRZ-DPSK apresenta um comportamento muito pior que as das modulações RZ-OOK e NRZ-OOK, sendo o sistema que, até o momento, apresentou pior desempenho. Já a modulação RZ-DPSK apresentou um melhor desempenho, até o momento, se comparada com as modulações NRZ- OOK, RZ-OOK e NRZ-DPSK.

Na Fig. 5.2.6 se observa o espectro óptico após a transmissão na fibra óptica da modulação NRZ-DPSK, na Fig. 5.2.7 se observa o espectro óptico para modulação RZ- DPSK. Dos espectros ópticos podemos observar que a modulação RZ-DPSK ocupa mais o espectro óptico do que a modulação NRZ-DPSK, o que não nos auxilia explicar o rendimento superior da modulação RZ-DPSK sobre a modulação NRZ-DPSK. Mas pela observação do espectro óptico da modulação RZ-DPSK não é possível concluir o motivo que haveria um desempenho superior ao das modulações NRZ-DPSK.

Fig. 5.2.3 – BER x Distância de Transmissão em fibra SSMF.

Fig. 5.2.5 – BER x Distância de Transmissão em fibra SSMF para modulação RZ-DPSK.

Apenas com os dados obtidos na Fig. 5.2.3 verificamos que as distâncias máximas de transmissão para as modulações NRZ-DPSK e RZ-DPSK foram severamente limitadas como observadas na Fig. 5.2.3. A determinação de quais parâmetros do sistema incluindo a fibra óptica está ocasionando tal limitação severa torna-se imprescindível para análise destes sistemas de modulação.

Fig. 5.2.6 – Espectro óptico da modulação NRZ-DPSK obtido durante a simulação.

5.2.2 Simulação da transmissão em uma fibra SSMF sem atenuação.

Nesta simulação para verificar se a limitação de transmissão observada na Fig.5.2.3 é devido à atenuação da fibra óptica, foram substituídos os parâmetros de atenuação das fibras ópticas da Fig. 5.2.1-a por 0 dB/km, conforme Fig. 5.2.8, similar ao efetuado com as modulações NRZ-OOK e RZ-OOK.

Fig. 5.2.8 – Parâmetros da fibra óptica utilizada nesta simulação, em destaque a atenuação foi usada com o valor de 0 dB/km para verificar o efeito da atenuação nestas modulações.

Assim como havia ocorrido com a simulação das modulações OOK para as simulações das modulações NRZ-DPSK e RZ-DPSK sem atenuação sofreu praticamente nenhuma alteração em relação às severas limitações de transmissão, que podem ser observadas na Fig. 5.2.9 versus a Fig. 5.2.3. Como podemos observar nos detalhes das Fig. 5.2.10 e Fig.5.2.11, as distâncias de transmissão para a fibra SSMF com o parâmetro de atenuação igual a 0 dB/km para a modulação NRZ-DPSK para uma BER de 10-9, ou melhor, a distância máxima de transmissão é de até 1,3 km, já para a modulação RZ-DPSK esta distância é de 5,45 km. Sendo assim, as distâncias máximas de transmissão para as modulações NRZ-DPSK e RZ- DPSK não estão sendo severamente limitada pela atenuação da fibra óptica, ou seja, este parâmetro não é o parâmetro que está limitando severamente a transmissão nas modulações NRZ-DPSK e RZ-DPSK na taxa de 40 Gb/s.

Fig. 5.2.9 – BER x Distância de Transmissão em fibra SSMF com atenuação igual a 0 dB/km.

Fig. 5.2.10 – BER x Distância de Transmissão em fibra SSMF da modulação NRZ-DPSK com atenuação igual a 0 dB/km.

Fig. 5.2.11 – BER x Distância de Transmissão em fibra SSMF da modulação RZ-DPSK com atenuação igual a 0 dB/km.

5.2.3 Simulação da transmissão em uma fibra SSMF sem dispersão.

Nesta sessão será investigado o efeito da dispersão sobre a modulação NRZ-DPSK, e RZ-DPSK, verificando se este parâmetro é o que está ocasionando a severa limitação de transmissão na fibra óptica SSMF. Nesta simulação para verificarmos o grau de limitação que a dispersão da fibra óptica estava afetando a transmissão o parâmetro de dispersão das fibras ópticas da Fig. 5.2.1 foram substituídos por 0 ps/(nm.km), como observado na Fig. 5.2.12.

Nesta simulação obtivemos as curvas BER x Distâncias observadas nas Fig. 5.2.13, 5.2.14, e 5.2.15 verifica-se que a severa limitação de distância é superada para as 2 modulações. Nas Fig. 5.2.13 e 5.2.14 observam-se que para uma BER de 10-9, ou melhor, usando-se a modulação NRZ-DPSK a distância máxima de transmissão alcançada foi de 96 km. Para uma mesma BER, mas com a modulação RZ-DPSK da Fig. 5.2.15 a distância máxima alcançada foi de 104,5 km.

Observamos que a severa limitação que ocorria durante a transmissão de sinais para as modulações NRZ-DPSK e RZ-DPSK numa fibra óptica SSMF se deve principalmente a dispersão. Pois, quando tal parâmetro é anulado as distâncias de transmissão saltam de 1,3 km para distância de 96 km na modulação NRZ-DPSK, ou seja, aumenta a distância de transmissão do sistema em mais de 73 vezes.

Fig. 5.2.12 – Parâmetros utilizados para a simulação das modulações NRZ-DPSK e RZ-DPSK sem dispersão (0 ps/(nm.km) ).

Na modulação RZ-DPSK quando a dispersão é anulada as distâncias de transmissão saltam de 5,475 km para distância de 104,5 km, ou seja, aumenta a distância de transmissão do sistema em mais de 19 vezes. Com estas observações verifica-se que a modulação NRZ- DPSK é uma modulação muito sensível a dispersão cromática. Já a modulação RZ-DPSK é uma modulação menos sensível a dispersão, mesmo assim, esta modulação é afetada significativamente pela dispersão.

Verifica-se que a sensibilidade a dispersão é maior nos sistemas de modulação NRZ- DPSK, seguido pela modulação RZ-OOK, NRZ-OOK e RZ-DPSK.

Fig. 5.2.13 – BER x Distância de Transmissão em fibra SSMF sem dispersão (0 ps/(nm.km) ).

Fig. 5.2.14 – BER x Distância de Transmissão em fibra SSMF para a modulação NRZ-DPSK sem dispersão (0 ps/(nm.km) ).

Fig. 5.2.15 – BER x Distância de Transmissão em fibra SSMF para a modulação RZ-DPSK sem dispersão (0 ps/(nm.km) ).

5.2.4 Simulação da transmissão em uma fibra SSMF sem dispersão e sem PMD.

Identificado que a dispersão cromática afeta significativamente a capacidade de transmissão das modulações NRZ-DPSK e RZ-DPSK na taxa de 40 Gb/s em uma fibra SSMF. Foi simulado o sistema sem a dispersão (Dispersão=0 ps/(nm.km)) e sem a PMD (Coeficiente da PMD = 0ps/ km ), Fig. 5.2.16, para verificar se a limitação apresentada no item 5.2.3 é devida apenas à limitação da atenuação da fibra óptica ou se a PMD está limitando também a distância de transmissão.

Nesta simulação obtivemos as curvas BER x Distâncias observadas nas Fig. 5.2.17, 5.2.18, e 5.2.19. Nas Fig. 5.2.17 e 5.2.18 observam-se que para uma BER de 10-9, ou melhor, usando-se a modulação NRZ-DPSK a distância máxima de transmissão alcançada foi de 96 km, ou seja, não houve alteração em relação à simulação do sistema sem dispersão, assim este sistema apresenta apenas a atenuação como limitação. Já para a modulação RZ-DPSK a distância máxima de transmissão alcançada foi de 105,5 km, houve uma pequena alteração em relação à simulação do sistema sem dispersão o qual a distância era de 104,5 km, ou seja, a PMD estava limitando a modulação RZ-DPSK em aproximadamente 1 km neste cenário. Assim na Fig. 5.2.19 este sistema apresenta apenas a atenuação como limitação.

Fig. 5.2.16 – Parâmetros utilizados para a simulação das modulações NRZ-DPSK e RZ-DPSK sem dispersão (0 ps/(nm.km)) e sem PMD (Coeficiente da PMD = 0ps/ km).

Desta forma, verifica-se que a sensibilidade a PMD do formato de modulação NRZ- DPSK é inferior a sensibilidade da modulação RZ-DPSK a este parâmetro, observada pela alteração das curvas da Fig. 5.2.19 versus a Fig. 5.2.15.

A Fig. 5.2.17 representa a limitação das modulações NRZ-DPSK e RZ-DPSK à atenuação da fibra óptica SSMF, ou seja, se não houver PMD nem a dispersão na fibra óptica conseguiríamos transmitir sinais com BER demonstrada nos gráficos das Fig. 5.2.17, 5.2.18 e 5.2.19.

Fig. 5.2.17 – BER x Distância de Transmissão em fibra SSMF sem dispersão (0 ps/(nm.km)) e sem PMD (Coeficiente da PMD = 0ps/ km).

Fig. 5.2.18 – BER x Distância de Transmissão em fibra SSMF da modulação NRZ-DPSK sem dispersão (0 ps/(nm.km)) e sem PMD (Coeficiente da PMD = 0ps/ km).

Fig. 5.2.19 – BER x Distância de Transmissão em fibra SSMF da modulação RZ-DPSK sem dispersão (0 ps/(nm.km)) e sem PMD (Coeficiente da PMD = 0ps/ km).