Multipleksowanie z podziałem polaryzacyjnym

Multipleksowanie z podziałem polaryzacji ( PDM ) to metoda warstwy fizycznej służąca do multipleksowania sygnałów przenoszonych na falach elektromagnetycznych , umożliwiająca przesyłanie dwóch kanałów informacji na tej samej częstotliwości nośnej przy użyciu fal o dwóch ortogonalnych stanach polaryzacji . Jest stosowany w mikrofalowych , takich jak łącza w dół telewizji satelitarnej, w celu podwojenia przepustowości za pomocą dwóch ortogonalnie spolaryzowanych anten zasilających w antenach satelitarnych . Jest również stosowany w światłowodowej poprzez przesyłanie oddzielnych, lewych i prawych, spolaryzowanych kołowo wiązek światła przez ten sam światłowód .

Radio

Techniki polaryzacji są od dawna stosowane w transmisji radiowej w celu zmniejszenia zakłóceń między kanałami, szczególnie na częstotliwościach VHF i poza nimi.

W pewnych okolicznościach szybkość transmisji danych łącza radiowego można podwoić, przesyłając dwa oddzielne kanały fal radiowych na tej samej częstotliwości, stosując polaryzację ortogonalną. Na przykład w naziemnych łączach mikrofalowych punkt-punkt antena nadawcza może mieć dwie anteny zasilające; pionową antenę zasilającą, która transmituje mikrofale z ich polem elektrycznym pionowym ( polaryzacja pionowa ) oraz poziomą antenę zasilającą, która transmituje mikrofale na tej samej częstotliwości z ich poziomym polem elektrycznym ( polaryzacja pozioma) ). Te dwa oddzielne kanały mogą być odbierane przez pionowe i poziome anteny zasilające na stacji odbiorczej. W komunikacji satelitarnej często stosuje się zamiast tego ortogonalną polaryzację kołową (tj. prawo- i lewoskrętną), ponieważ poczucie polaryzacji kołowej nie zmienia się względną orientacją anteny w przestrzeni.

System podwójnej polaryzacji składa się zwykle z dwóch niezależnych nadajników, z których każdy można podłączyć za pomocą falowodu lub linii TEM (takich jak kable koncentryczne lub linia paskowa lub quasi-TEM , np. mikropaskowa ) do anteny o pojedynczej polaryzacji w celu zapewnienia jego standardowego działania. Chociaż w przypadku PDM można zastosować dwie oddzielne anteny o pojedynczej polaryzacji (lub dwa sąsiednie źródła zasilania w antenie reflektorowej ), wypromieniowanie dwóch niezależnych stanów polaryzacji można często łatwo osiągnąć za pomocą pojedynczej anteny o podwójnej polaryzacji.

Gdy nadajnik ma interfejs falowodu, zazwyczaj prostokątny, aby znajdować się w obszarze jednomodowym na częstotliwości roboczej, elementem promieniującym wybieranym do nowoczesnych systemów komunikacyjnych jest antena o podwójnej polaryzacji z okrągłym (lub kwadratowym) portem falowodu. Potrzebny jest okrągły lub kwadratowy port falowodu, aby obsługiwane były co najmniej dwa zdegenerowane mody. Dlatego w takich sytuacjach należy wprowadzić komponent ad hoc, aby połączyć dwa oddzielne sygnały o pojedynczej polaryzacji w jeden interfejs fizyczny o podwójnej polaryzacji, a mianowicie przetwornik w trybie orto (OMT) .

W przypadku, gdy nadajnik ma złącza wyjściowe TEM lub quasi-TEM, antena o podwójnej polaryzacji często ma oddzielne połączenia (tj. drukowaną antenę kwadratową z dwoma punktami zasilania) i pełni funkcję OMT poprzez wewnętrzne przenoszenie sygnału dwa sygnały wzbudzenia do ortogonalnych stanów polaryzacji.

Sygnał o podwójnej polaryzacji przenosi zatem dwa niezależne strumienie danych do anteny odbiorczej, która sama może być anteną o pojedynczej polaryzacji, aby odbierać tylko jeden z dwóch strumieni na raz, lub model o podwójnej polaryzacji, ponownie przekazujący odebrany sygnał do dwóch złączy wyjściowych o pojedynczej polaryzacji (przez OMT w przypadku falowodu).

Idealny system podwójnej polaryzacji opiera się na doskonałej ortogonalności dwóch stanów polaryzacji, a każdy z pojedynczo spolaryzowanych interfejsów w odbiorniku teoretycznie zawierałby tylko sygnał przeznaczony do transmisji przez pożądaną polaryzację, nie wprowadzając w ten sposób żadnych zakłóceń i umożliwiając multipleksowanie i demultipleksowanie dwóch strumieni danych w sposób przezroczysty, bez jakiejkolwiek degradacji spowodowanej współistnieniem z drugim.

Firmy pracujące nad komercyjną technologią PDM to Siae Microelettronica , Huawei i Alcatel-Lucent .

Niektóre typy zewnętrznych radiotelefonów mikrofalowych mają zintegrowane przetworniki ortomodowe i działają w obu polaryzacjach z jednego urządzenia radiowego, eliminując zakłócenia z polaryzacją krzyżową ( XPIC ) w samym urządzeniu radiowym. Alternatywnie, przetwornik ortomodowy może być wbudowany w antenę i umożliwiać podłączenie do anteny oddzielnych radiotelefonów lub oddzielnych portów tego samego radia.

CableFree 2+0 XPIC Microwave Link pokazujące OMT i dwie jednostki ODU podłączone do portów o polaryzacji H i V

Eliminacja zakłóceń polaryzacji krzyżowej (XPIC)

Jednak w praktycznych systemach występują nieidealne zachowania, które mieszają ze sobą sygnały i stany polaryzacji:

OMT po stronie nadawczej charakteryzuje się skończoną dyskryminacją polaryzacji krzyżowej (XPD), w związku z czym część sygnałów przeznaczonych do transmisji w jednej polaryzacji wycieka na drugą
antena nadawcza ma skończoną wartość XPD i w ten sposób przecieka część swoich polaryzacji wejściowych do innego stanu polaryzacji promieniowanej
propagacja w obecności deszczu, śniegu, gradu powoduje depolaryzację, ponieważ część dwóch zderzających się polaryzacji przedostaje się do drugiej
skończone XPD anteny odbiorczej działa podobnie do strony nadawczej, a względne ustawienie dwóch anten przyczynia się do utraty systemowego XPD
skończony XPD odbierającego OMT również dalej miksuje sygnały z portu podwójnie spolaryzowanego do portów pojedynczo spolaryzowanych

W rezultacie sygnał na jednym z odebranych zacisków o pojedynczej polaryzacji faktycznie zawiera dominującą ilość pożądanego sygnału (który ma być przesyłany na jedną polaryzację) i niewielką ilość niepożądanego sygnału (który ma być transportowany przez drugą polaryzację) , co oznacza ingerencję w poprzednią. W konsekwencji każdy odbierany sygnał musi zostać oczyszczony z poziomu zakłóceń, aby osiągnąć wymagany stosunek sygnału do szumu i zakłóceń (SNIR) wymagany przez stopnie odbiorcze, który może być rzędu ponad 30 dB dla wysokiego poziomu M- QAM schematy. Taka operacja jest wykonywana poprzez eliminację zakłóceń polaryzacji krzyżowej (XPIC), zwykle wdrażaną jako stopień cyfrowy pasma podstawowego.

W porównaniu do multipleksowania przestrzennego , sygnały odbierane przez system PMD mają znacznie korzystniejszy stosunek nośnej do zakłóceń, ponieważ wielkość wycieku jest często znacznie mniejsza niż sygnał użyteczny, podczas gdy multipleksowanie przestrzenne działa z ilością zakłóceń równą ilości użytecznego sygnału. Ta obserwacja, ważna dla dobrego projektu PMD, pozwala na zaprojektowanie adaptacyjnego XPIC w prostszy sposób niż ogólny schemat anulowania MIMO, ponieważ punkt początkowy (bez anulowania) jest już zwykle wystarczający do ustanowienia łącza o małej przepustowości za pomocą zmniejszona modulacja.

XPIC zazwyczaj działa na jeden z odebranych sygnałów „C” zawierających żądany sygnał jako składnik dominujący i wykorzystuje również drugi odebrany sygnał „X” (zawierający sygnał zakłócający jako składnik dominujący). Algorytm XPIC mnoży „X” przez zespolony współczynnik, a następnie dodaje go do otrzymanego „C”. Złożony współczynnik rekombinacji jest dostosowywany adaptacyjnie, aby zmaksymalizować MMSE mierzone podczas rekombinacji. Gdy MMSE zostanie poprawiony do wymaganego poziomu, oba terminale mogą przełączyć się na modulacje wyższego rzędu.

Różnicowa, krzyżowo spolaryzowana komunikacja bezprzewodowa

Jest nowatorską metodą transmisji anteny spolaryzowanej wykorzystującą technikę różnicową.

Fotonika

Multipleksowanie z podziałem polaryzacji jest zwykle stosowane w połączeniu z modulacją fazową lub optyczną QAM , umożliwiając transmisję z szybkością 100 Gbit/s lub większą na pojedynczej długości fali. Zestawy sygnałów długości fali PDM można następnie przenosić za pomocą infrastruktury multipleksowania z podziałem długości fali , potencjalnie znacznie zwiększając jej przepustowość. Wiele sygnałów polaryzacji można łączyć w celu utworzenia nowych stanów polaryzacji, co jest znane jako generowanie stanu polaryzacji równoległej.

Głównym problemem związanym z praktycznym zastosowaniem PDM w światłowodowych systemach transmisji są dryfty stanu polaryzacji, które występują w sposób ciągły w czasie ze względu na zmiany fizyczne w środowisku światłowodu. W systemie dalekobieżnym dryfty te kumulują się stopniowo i bez ograniczeń, powodując szybką i nieregularną rotację wektora Jonesa światła spolaryzowanego po całej sferze Poincarégo . Dyspersja w trybie polaryzacji , strata zależna od polaryzacji. i modulacja polaryzacji krzyżowej to inne zjawiska, które mogą powodować problemy w systemach PDM.

Z tego powodu PDM jest powszechnie używany w połączeniu z zaawansowanymi technikami kodowania kanałów , umożliwiając wykorzystanie cyfrowego przetwarzania sygnału do dekodowania sygnału w sposób odporny na artefakty sygnału związane z polaryzacją. Stosowane modulacje obejmują PDM-QPSK i PDM-DQPSK.

Firmy pracujące nad komercyjną technologią PDM to Alcatel-Lucent , Ciena , Cisco Systems , Huawei i Infinera .

Zobacz też