DSP y FEC en Sistemas de Transmisión

Publicado: 11 noviembre, 2011 en Tecnología
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El procesado digital se hace imprescindible en la recepción de señales de elevada velocidad. Al incrementar la velocidad de las señales que viajan por la fibra, se incrementa considerablemente los fenómenos adversos que la atacan, degradándola hasta hacerla prácticamente indecodificable. Como algunas de estas interferencias son lineales, o siguen algún patrón matemático conocido que se puede calcular a priori, si disponemos en la recepción de un módulo que se encargue de desfacer los entuertos acaecidos en el viaje de la luz, recuperaremos la señal original, o algo que se le parece bastante. Esto  es lo que se conoce como módulo DSP.

El DSP sería como un pequeño ordenador capaz de realizar una gran cantidad de operaciones numéricas. Se incorpora en los receptores de algunas señales como un módulo adicional, compuesto de hardware y software. El DSP trabaja con señales digitales, por lo tanto, si lo queremos incorporar a un sistema de transmisión de señales sobre fibra óptica, teniendo en cuenta que se trata de una señal analógica lo que estoy transmitiendo, el DSP necesitará un elemento que convierta la señal analógica en una señal digital que pueda procesar. Es decir, conversores A/D o ADC.

Pero no sólo hay que digitalizar la señal. Para extraer la información de la señal modulada que llega al receptor, un DSP debe realizar las siguientes operaciones:

  • ADC. Como ya hemos comentado, se realiza un muestreo y digitalización de la señal analógica. En el caso de una modulación DP-QPSK, que es la que se utiliza para los 100Gbps, se obtienen las componentes I y Q de la señal  y sus respectivas polarizaciones X e Y
  • Recuperación de Reloj. Lo siguiente que tenemos que hacer es recuperar el reloj de la señal original para poder sincronizar la información recibida. Una vez extraido el reloj la señal digital se somete a un nuevo muestreo.
    • Para señales QPSK codificadas sobre un tren de pulsos RZ extraemos el reloj a partir de la señal transmitida mediante un detector de intensidad  y un circuito estándar de recuperación de reloj. Las fotocorrientes muestreadas en el ADC están en sintonía con el reloj y en este caso no necesitaríamos remuestreo. También podríamos extraer el reloj de la señal muestreada, en este caso tendríamos que muestrear la señal a una velocidad superior al doble de la frecuencia máxima de la señal transmitida, para realizar posteriormente una interpolación de las muestras en el dominio del tiempo y reconstruyendo la envolvente de los pulsos que facilite el remuestreo.
    • En el caso de señales QPSK codificadas sobre un tren de pulsos NRZ, se procede al muestreo y detección de bordes mediante derivación de interpolación y muestreo.
  • Corrección de Polarización. Se realiza una alineación de los estados de polarización y se realiza una combinación de polarizaciones.
  • Ecualización. Se realiza una ecualización fundamentalmente para compensar la CD, dispersión cromática, la PMD, polarización por el modo de polarización, y en general cualquier tipo de efecto adverso.
  • Estimación de la fase de la portadora. Basada en el hecho de que la variación de fase de la portadora es más lenta que la modulación de fase.
  • Decodificación. Se produce la discriminación de símbolo realizando la decodificación de la señal con modulación multinivel
  • Símbolo. Finalmente obtenemos el símbolo

Las técnicas FEC (Forward Error Correction) también se hacen imprescindibles en los sistemas de transmisión, especialmente en los de ultravelocidad. Al ir aumentando la velocidad del canal, la OSNR requerida va incrementándose en paralelo. Transmitir a 100 Gbps requiere de una OSNR que es 4 dB superior al caso de transmisiones a 40Gbps, y 10 dB superior al caso de transmitir 10 Gbps.

Este tipo de técnicas se basan en añadir a la información útil que queremos transmitir, cierta carga de información adicional. Se transmite información redundante que se utilizará en el receptor para detectar y corregir posibles errores acaecidos durante el proceso de transmisión. Es decir, enviamos más información de la que necesitamos, a cambio de asegurarnos que la información que necesitamos es decodificable. Esta información adicional es lo que se conoce como overhead.

Existen dos tipos principales de técnicas FEC, las conocidas como HD, Hard Decision, y las SD, Soft Decision.

  • Las técnicas HD basan su decisión en 1 y 0, es decir, la entrada al módulo FEC se cuantifica en dos niveles
  • Las técnicas SD incrementan la complejidad, la latencia y el consumo. Pero se consigue mejoras considerables con el mismo overhead respecto a las técnicas HD, ya que se incrementa la información de entrada al sistema, aportando como un nuevo parámetro: la fiabilidad de una decisión. Por lo tanto, la entrada del sistema está cuantificada en 3 niveles, el bit 1, el bit 0 y el nivel de confianza de la decisión. Necesitamos ADC muy rápidos y circuitos en paralelo

Al aumentar el overhead aumenta la ganancia de codificación, pero esto no puede incrementarse hasta donde queramos, ya que una cabecera mayor origina un mayor ensanchamiento espectral, produciéndose la consiguiente penalización por filtrado pasobanda adicional en los WSS de los ROADMs, además para la misma potencia de transmisión se reduciría la SNR en el receptor debido a que la densidad de potencia es menor. Con técnicas de ecualización podemos compensar en parte la penalización producida por el filtrado. El OIF ha fijado  un 20% de cabecera como límite práctico superior debido al poco incremento de ganancia para cabeceras mayores.

Cuanto mayor sea el número de no linealidades, menor será el porcentaje de FEC óptimo. Con lo que el overhead a utilizar será determinado por cada escenario en concreto. Por ejemplo:

  • Con un FEC del 7% se utiliza HD, ya que la pequeña ganancia que se produce con SD no compensa el incremento de complejidad, y el FEC puede estar dentro o fuera del módulo DSP, ya que existen interfaces eléctricas de alta velocidad que pueden soportar tasas de datos con cabeceras del 7%.
  • En cambio, cuando el FEC es mayor del 7%, suele estar incorporado dentro del módulo DSP  y las tecnologías y estándares, disponibles a día de hoy, establecen una limitación en el ancho de banda de las interfaces del módulo.

Combinando por tanto un DSP y técnicas FEC en el receptor, puedo ir incrementando la velocidad de línea de los sistemas de tranmisión… ¿Infinito y más allá?…

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