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

Para avaliação da capacidade de transmissão das modulações NRZ-DQPSK e RZ- DQPSK (50% de duty cycle), em fibras monomodo padrão (SSMF) foi simulado dois sistemas idênticos, conforme observado na Fig. 5.3.1, um em cada formato de modulação, utilizando a fibra óptica com as características descritas no item 5.3.

Na Fig. 5.3.1-a temos o diagrama esquemático utilizado na simulação, ele é composto basicamente por um bloco modulador em cada modulação (NRZ-DQPSK e RZ-DQPSK), 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 é a potência aplicada a 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, ambos os receptores para a modulação NRZ-DQPSK e RZ-DQPSK são idênticos.

(a)

(b) Modulador NRZ-DQPSK

(c) Modulador RZ-DQPSK

Fig. 5.3.1 a) Diagrama esquemático da simulação comparativa entre NRZ-DQPSK e RZ-DQPSK. b) Diagrama do modulador NRZ-DQPSK. c) Diagrama do modulador RZ-DQPSK.

Na Fig. 5.3.1-b temos o diagrama do modulador NRZ-DQPSK, o modulador consiste de uma fonte laser de funcionamento contínuo, um divisor para dividir a luz em duas vias de igual intensidade, dois MZM (operando como moduladores de fase), um defasador óptico de π/2 em um dos caminhos ópticos, e um combinador para produzir um único sinal de saída. Na

Fig. 5.3.1-c temos o diagrama do modulador RZ-DQPSK. O modulador é idêntico ao modulador NRZ-DQPSK, mas para a modulação RZ-DQPSK deve ser adicionado um desbastador de pulso após o sinal modulado em NRZ-DQPSK para a geração do sinal RZ- DQPSK.

Para análise e comparação dos sistemas com modulação NRZ-DQPSK e RZ-DQPSK foi usado como parâmetro a BER (Bit Error Ratio) versus a distância de transmissão na fibra óptica, comparação similar ao efetuada para as modulações OOK e DPSK os dados obtidos na simulação podem ser observados na Fig. 5.3.3.

Na Fig. 5.3.3, e no detalhe da Fig. 5.3.4, observa-se que para uma BER de 10-9_{, ou} melhor, usando-se a modulação NRZ-DQPSK a distância máxima de transmissão alcançada foi de 4,3 km. Para uma mesma BER, mas com a modulação RZ-DQPSK a distância máxima alcançada foi de 14,15 km, vide detalhe na Fig.5.3.5.

Ambos os receptores para a modulação NRZ-DQPSK e RZ-DQPSK são idênticos com responsividade do fotodiodo 1 A/W, ruído térmico do fotodiodo 1.10-12 A/ Hz, filtro elétrico passa baixa tipo Trapezoidal, e freqüência de corte do filtro passa-baixa do receptor 14 GHz com largura na base de 40 GHz. Na Fig. 5.3.2 é apresentado o diagrama do receptor DQPSK.

Fig. 5.3.2 Diagrama esquemático do receptor DQPSK.

Na Fig. 5.3.3 chama atenção a melhora significativa (apresentada pela elevação da distância de transmissão) que a modulação RZ-DQPSK apresentou sobre a modulação NRZ- DQPSK. Nota-se que a transmissão em uma fibra óptica SSMF das modulações NRZ-DPSK e NRZ-DQPSK estão sendo severamente limitadas por alguma característica do sistema, já a modulação RZ-DQPSK também foi limitada, porém apresentou um melhor resultado em

comparação as modulações OOK, DPSK e RZ-DQPSK. 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.

Fig. 5.3.3 – BER x Distância de Transmissão em fibra SSMF.

Fig. 5.3.5 – BER x Distância de Transmissão em fibra SSMF para a modulação RZ-DQPSK.

Na Fig. 5.3.6 se observa o espectro óptico após a transmissão na fibra óptica da modulação NRZ-DQPSK, na Fig. 5.3.7 se observa o espectro óptico para modulação RZ- DQPSK. Dos espectros ópticos podemos observar que a modulação NRZ-DPSK ocupa aproximadamente o dobro do espectro óptico da modulação NRZ-DQPSK, o que ajuda explicar o rendimento superior da modulação NRZ-DQPSK sobre a modulação NRZ-DPSK, já que uma ocupação maior do espectro implica em uma menor tolerância a dispersão cromática. Mas pela observação do espectro óptico da modulação RZ-DQPSK não é possível concluir o motivo que haveria um desempenho superior ao da modulação NRZ-DQPSK.

Apenas com os dados obtidos na Fig. 5.3.3 verificamos que as distâncias máximas de transmissão para as modulações NRZ-DQPSK e RZ-DQPSK foram severamente limitadas. A determinação de quais parâmetros do sistema incluindo a fibra óptica (meio de transmissão) está ocasionando tal limitação severa torna-se imprescindível para análise destes sistemas de modulação.

Fig. 5.3.6 – Espectro óptico da modulação NRZ-DQPSK obtido durante a simulação.

5.3.2 Simulação da transmissão em uma fibra SSMF sem atenuação.

Nesta simulação para verificar se a limitação de transmissão observada na Fig.5.3.3 é devido à atenuação da fibra óptica, foram substituídos os parâmetros de atenuação das fibras ópticas da Fig. 5.3.1 por 0 dB/km, similar ao efetuado com as modulações OOK e DPSK.

Para uma BER de 10-9, ou melhor, na modulação NRZ-DQPSK a distância máxima de transmissão sem atenuação foi de 4,3 km e para a modulação RZ-DQPSK, para mesma BER, foi de 14,15 km.

Como havia ocorrido com a simulação das modulações OOK e DPSK, as simulações das modulações NRZ-DQPSK e RZ-DQPSK sem atenuação não sofreu variações significativas em relação à transmissão na fibra SSMF, que podem ser observadas na Fig. 5.3.8 versus a Fig. 5.3.3.

Fig. 5.3.8 – BER x Distância de Transmissão em fibra SSMF sem atenuação (0 dB/km).

Verifica-se assim que as distâncias máximas de transmissão para as modulações NRZ- DQPSK e RZ-DQPSK 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-DQPSK e RZ-DQPSK na taxa de 40 Gb/s.

Fig. 5.3.9 – BER x Distância de Transmissão em fibra SSMF modulação NRZ-DQPSK sem atenuação (0 dB/km).

Fig. 5.3.10 – BER x Distância de Transmissão em fibra SSMF modulação RZ-DQPSK sem atenuação (0 dB/km).

5.3.3 Simulação da transmissão em uma fibra SSMF sem dispersão.

Nesta sessão será investigado o efeito da dispersão sobre a modulação NRZ-DQPSK e RZ-DQPSK, 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. 5.3.1 foram substituídos por 0 ps/(nm.km), como observado na Fig. 5.3.11.

Nesta simulação obtivemos as curvas BER x Distância observadas na Fig. 5.3.12, verifica-se que a severa limitação de distância é superada para as 2 modulações. Na Fig. 5.3.12 e detalhe na Fig. 5.3.13 se observam que para uma BER de 10-9, ou melhor, usando-se a modulação NRZ-DQPSK a distância máxima de transmissão alcançada foi de 81 km. Já para a modulação RZ-DQPSK a distância máxima alcançada foi de 89,5 km para a mesma BER.

Observamos que a severa limitação que ocorria durante a transmissão de sinais para as modulações NRZ-DQPSK e RZ-DQPSK numa fibra óptica SSMF se deve principalmente a dispersão.

Na modulação NRZ-DQPSK quando a dispersão é anulada as distâncias de transmissão saltam de 4,3 km para distância de 81 km, ou seja, aumenta a distância de transmissão do sistema em 18 vezes. Já para a modulação RZ-DQPSK quando a dispersão é anulada as distâncias de transmissão saltam de 14,15 km para distância de 89,5 km na modulação RZ-DQPSK, ou seja, aumenta a distância de transmissão do sistema em mais de 6 vezes.

Com estas observações verifica-se que a modulação NRZ-DPSK é uma modulação muito sensível a dispersão cromática. Já a modulação RZ-DQPSK é uma modulação menos sensível a dispersão, mesmo assim, esta modulação é afetada significativamente pela dispersão.

Das modulações OOK, DPSK e DQPSK a modulação RZ-DQPSK apresenta a menor sensibilidade a dispersão cromática.

Fig. 5.3.11 – Parâmetros utilizados para a simulação das modulações NRZ-DQPSK e RZ-DQPSK sem dispersão (0 ps/(nm.km)).

Fig. 5.3.13 – Detalhe da BER x Distância de Transmissão em fibra SSMF sem dispersão (0 ps/(nm.km)).

5.3.4 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-DQPSK e RZ-DQPSK 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. 5.3.14, para verificar se a limitação apresentada no item 5.3.3 é devido apenas à limitação da atenuação da fibra óptica ou se a PMD está limitando também a distância de transmissão.

Nas Fig. 5.3.15, e detalhes da Fig. 5.3.16 e 5.3.17 observamos a BER x Distância de Transmissão sem dispersão e sem PMD, nestas figuras observamos que para uma BER de 10-9, ou melhor, para a modulação NRZ-DQPSK a distância máxima de transmissão ficou em 81 km, ou seja, não houve alteração em relação a simulações da sessão 5.3.3, ou seja a PMD não está limitando significativamente a transmissão neste sistema, ou seja, o limitador neste caso é apenas a atenuação da fibra óptica.

Para a modulação RZ-DQPSK a distância máxima de transmissão ficou em 89,5 km, ou seja, também não houve alteração em relação a simulações da sessão 5.3.3, ou seja a PMD não está limitando significativamente a transmissão neste sistema, ou seja, o limitador neste caso é apenas a atenuação da fibra óptica.

Fig. 5.3.14 – Parâmetros utilizados para a simulação das modulações NRZ-DQPSK e RZ-DQPSK sem dispersão (0 ps/(nm.km)) e sem PMD (Coeficiente da PMD = 0ps/ km).

Fig. 5.3.15 – BER x Distância de Transmissão em fibra SSMF sem dispersão (0 ps/(nm.km)) e sem PMD (Coeficiente da PMD = 0ps/ km).

Fig. 5.3.16 – BER x Distância de Transmissão em fibra SSMF para a modulação NRZ-DQPSK sem dispersão (0 ps/(nm.km)) e sem PMD (Coeficiente da PMD = 0ps/ km).

Fig. 5.3.17 – BER x Distância de Transmissão em fibra SSMF para a modulação RZ-DQPSK sem dispersão (0 ps/(nm.km)) e sem PMD (Coeficiente da PMD = 0ps/ km).

5.4 COMPARAÇÃO ENTRE AS MODULAÇÕES OOK, DPSK E DQPSK