Polarisationsmultiplexering

Polarisation-division multiplexing ( PDM ) är en fysisk skiktmetod för multiplexering av signaler som bärs på elektromagnetiska vågor , vilket gör att två kanaler med information kan sändas på samma bärvågsfrekvens genom att använda vågor av två ortogonala polarisationstillstånd . Den används i mikrovågslänkar såsom satellit-tv- nedlänkar för att fördubbla bandbredden genom att använda två ortogonalt polariserade matningsantenner i parabolantenner . Den används också i fiberoptisk kommunikation genom att sända separata vänster och höger cirkulärt polariserade ljusstrålar genom samma optiska fiber .

Radio

Polarisationstekniker har länge använts vid radiosändning för att minska störningar mellan kanaler, särskilt vid VHF- frekvenser och längre fram.

Under vissa omständigheter kan datahastigheten för en radiolänk fördubblas genom att sända två separata kanaler av radiovågor på samma frekvens, med hjälp av ortogonal polarisering. Till exempel, i punkt till punkt markbundna mikrovågslänkar, kan sändningsantennen ha två matningsantenner; en vertikal matningsantenn som sänder ut mikrovågor med sitt elektriska fält vertikalt ( vertikal polarisation ), och en horisontell matningsantenn som sänder ut mikrovågor på samma frekvens med sitt elektriska fält horisontellt ( horisontell polarisation ). Dessa två separata kanaler kan tas emot av vertikala och horisontella matningsantenner vid mottagningsstationen. För satellitkommunikation används ofta ortogonal cirkulär polarisation istället, (dvs höger- och vänsterhänt), eftersom känslan av cirkulär polarisation inte ändras av antennens relativa orientering i rymden.

Ett dubbelpolariseringssystem består vanligtvis av två oberoende sändare, som var och en kan anslutas med hjälp av vågledare eller TEM-ledningar (såsom koaxialkablar eller stripline eller kvasi-TEM såsom microstrip ) till en enkelpolarisationsantenn för dess standarddrift. Även om två separata enkelpolarisationsantenner kan användas för PDM (eller två intilliggande matningar i en reflektorantenn ), kan utstrålning av två oberoende polarisationstillstånd ofta enkelt uppnås med hjälp av en enda dubbelpolarisationsantenn.

När sändaren har ett vågledargränssnitt, typiskt rektangulärt för att vara i singelmodsområde vid arbetsfrekvensen, är en dubbelpolariserad antenn med en cirkulär (eller fyrkantig) vågledarport det utstrålande elementet som väljs för moderna kommunikationssystem. Den cirkulära eller fyrkantiga vågledarporten behövs så att åtminstone två degenererade moder stöds. En ad-hoc-komponent måste därför införas i sådana situationer för att slå samman två separata enkelpolariserade signaler till ett dubbelpolariserat fysiskt gränssnitt, nämligen en ortomodsgivare (OMT) .

Om sändaren har TEM- eller kvasi-TEM-utgångsanslutningar, uppvisar istället en dubbelpolariseringsantenn ofta separata anslutningar (dvs. en utskriven kvadratisk antenn med två matningspunkter), och bäddar in funktionen hos en OMT genom att överföra två excitationssignaler till de ortogonala polarisationstillstånden.

En dubbelpolariserad signal bär alltså två oberoende dataströmmar till en mottagande antenn, som i sig kan vara en enkelpolariserad, för att ta emot endast en av de två strömmarna åt gången, eller en dubbelpolariserad modell, som återigen vidarebefordrar sin mottagna signal till två enkelpolariseringsutgångskontakter (via en OMT om i vågledare).

Det ideala dubbelpolariseringssystemet ligger till grund för den perfekta ortogonaliteten av de två polarisationstillstånden, och vilket som helst av de enkelpolariserade gränssnitten vid mottagaren skulle teoretiskt sett endast innehålla den signal som är avsedd att sändas av den önskade polarisationen, vilket innebär att ingen störning och tillåter att de två dataströmmarna multiplexeras och demultiplexas transparent utan någon försämring på grund av samexistensen med den andra.

Företag som arbetar med kommersiell PDM-teknik inkluderar Siae Microelettronica , Huawei och Alcatel-Lucent .

Vissa typer av utomhusmikrovågsradio har integrerade ortomodgivare och fungerar i båda polariteterna från en enda radioenhet, och utför korspolarisationsstörningsavstängning ( XPIC ) i själva radioenheten. Alternativt kan ortomodgivaren vara inbyggd i antennen och tillåta anslutning av separata radioapparater, eller separata portar på samma radio, till antennen.

CableFree 2+0 XPIC Microwave Link som visar OMT och två ODU:er anslutna till H & V polaritetsportar

Korspolarisationsstörningsavstängning (XPIC)

Praktiska system lider dock av icke-ideala beteenden som blandar signalerna och polarisationstillstånden tillsammans:

OMT:n på sändningssidan har en finit korspolarisationsdiskriminering (XPD) och läcker således en del av signalerna som är avsedda att överföras i en polarisation till den andra
sändningsantennen har en ändlig XPD och läcker således en del av dess ingångspolarisationer till det andra utstrålade polarisationsläget
utbredning i närvaro av regn, snö, hagel skapar depolarisering, eftersom en del av de två infallande polarisationerna läcker till den andra
mottagarantennens ändliga XPD fungerar på samma sätt som sändningssidan och den relativa inriktningen av de två antennerna bidrar till en förlust av system XPD
den ändliga XPD:n för den mottagande OMT:n blandar likaså vidare signalerna från den dubbelpolariserade porten till de enkelpolariserade portarna

Som en konsekvens innehåller signalen vid en av de mottagna enkelpolarisationsterminalerna faktiskt en dominant kvantitet av den önskade signalen (avsedd att överföras till en polarisation) och en mindre mängd oönskad signal (avsedd att transporteras av den andra polarisationen) , som representerar en interferens över den förra. Som en konsekvens måste varje mottagen signal rensas från störningsnivån för att nå det erforderliga signal-brus-och-störningsförhållandet (SNIR) som krävs av mottagningsstegen, vilket kan vara i storleksordningen mer än 30 dB QAM- system på hög nivå . Sådan operation utförs av en korspolarisations-interferensutsläckning (XPIC), typiskt implementerad som ett digitalt basbandsteg.

Jämfört med spatial multiplexering har mottagna signaler för ett PMD-system ett mycket gynnsammare bärvåg-till-interferensförhållande, eftersom mängden läckage ofta är mycket mindre än den användbara signalen, medan spatial multiplexering fungerar med en mängd störningar som är lika med mängden användbar signal. Denna observation, giltig för en bra PMD-design, gör att den adaptiva XPIC kan utformas på ett enklare sätt än ett allmänt MIMO-avbrytningsschema, eftersom utgångspunkten (utan annullering) vanligtvis redan är tillräcklig för att etablera en lågkapacitetslänk med hjälp av en reducerad modulering.

En XPIC verkar typiskt på en av de mottagna signalerna "C" som innehåller den önskade signalen som dominant term och använder också den andra mottagna "X"-signalen (innehåller den störande signalen som dominant term). XPIC-algoritmen multiplicerar "X" med en komplex koefficient och adderar det sedan till det mottagna "C". Den komplexa rekombinationskoefficienten justeras adaptivt för att maximera MMSE mätt på rekombinationen. När MMSE har förbättrats till den erforderliga nivån kan de två terminalerna växla till högordningsmoduleringar.

Differentiell korspolariserad trådlös kommunikation

Är en ny metod för polariserad antennöverföring som använder en differentialteknik.

Fotonik

Polarisationsmultiplexering används vanligtvis tillsammans med fasmodulering eller optisk QAM , vilket tillåter överföringshastigheter på 100 Gbit/s eller mer över en enda våglängd. Uppsättningar av PDM-våglängdssignaler kan sedan överföras över våglängdsmultiplexeringsinfrastrukturen , vilket potentiellt kan avsevärt utöka dess kapacitet. Flera polarisationssignaler kan kombineras för att bilda nya polarisationstillstånd, vilket är känt som parallellpolarisationstillståndsgenerering.

Det största problemet med den praktiska användningen av PDM över fiberoptiska transmissionssystem är drifterna i polarisationstillstånd som uppstår kontinuerligt över tiden på grund av fysiska förändringar i fibermiljön. Över ett långdistanssystem ackumuleras dessa drifter progressivt utan begränsning, vilket resulterar i snabb och oberäknelig rotation av det polariserade ljusets Jones-vektor över hela Poincaré-sfären . Polarisationslägesdispersion , polarisationsberoende förlust. och korspolarisationsmodulering är andra fenomen som kan orsaka problem i PDM-system.

Av denna anledning används PDM i allmänhet tillsammans med avancerad kanalkodningsteknik , vilket tillåter användning av digital signalbehandling för att avkoda signalen på ett sätt som är motståndskraftigt mot polarisationsrelaterade signalartefakter. Moduleringar som används inkluderar PDM-QPSK och PDM-DQPSK.

Företag som arbetar med kommersiell PDM-teknik inkluderar Alcatel-Lucent , Ciena , Cisco Systems , Huawei och Infinera .

Se även