multiplexación por división de polarización

La multiplexación por división de polarización ( PDM ) es un método de capa física para multiplexar señales transmitidas mediante ondas electromagnéticas , que permite transmitir dos canales de información en la misma frecuencia portadora utilizando ondas con dos estados de polarización ortogonales . Se utiliza en enlaces de microondas , como los enlaces descendentes de televisión por satélite, para duplicar el ancho de banda mediante el uso de dos antenas de alimentación con polarización ortogonal en antenas parabólicas . También se utiliza en la comunicación por fibra óptica para transmitir haces de luz polarizados circularmente a la izquierda y a la derecha por separado a través de la misma fibra óptica .

Las técnicas de polarización se han utilizado durante mucho tiempo en la transmisión de radio para reducir la interferencia entre canales, particularmente en frecuencias VHF y superiores.

En determinadas circunstancias, la velocidad de transmisión de datos de un enlace de radio puede duplicarse mediante la transmisión de dos canales separados de ondas de radio en la misma frecuencia, utilizando polarización ortogonal. Por ejemplo, en los enlaces terrestres de microondas punto a punto, la antena transmisora ​​puede tener dos antenas de alimentación: una antena vertical que transmite microondas con su campo eléctrico vertical ( polarización vertical ) y una antena horizontal que transmite microondas en la misma frecuencia con su campo eléctrico horizontal ( polarización horizontal ). Estos dos canales separados pueden ser recibidos por las antenas de alimentación vertical y horizontal en la estación receptora. Para las comunicaciones por satélite, se suele utilizar la polarización circular ortogonal (es decir, diestra y zurda), ya que el sentido de la polarización circular no cambia con la orientación relativa de la antena en el espacio.

Un sistema de doble polarización suele constar de dos transmisores independientes, cada uno de los cuales puede conectarse mediante líneas de guía de onda o TEM (como cables coaxiales , líneas de transmisión o cuasi-TEM como microcintas ) a una antena de polarización simple para su funcionamiento estándar. Si bien se pueden utilizar dos antenas de polarización simple separadas para PDM (o dos alimentadores adyacentes en una antena reflectora ), la radiación de dos estados de polarización independientes a menudo se logra fácilmente mediante una sola antena de doble polarización.

Cuando el transmisor cuenta con una interfaz de guía de ondas, generalmente rectangular para operar en modo único a la frecuencia de operación, se elige una antena de doble polarización con un puerto de guía de ondas circular (o cuadrado) como elemento radiante para los sistemas de comunicación modernos. Este puerto circular o cuadrado es necesario para admitir al menos dos modos degenerados. Por lo tanto, en tales situaciones se debe incorporar un componente específico para fusionar dos señales de polarización única en una interfaz física de doble polarización: un transductor ortomodal (OMT) .

En caso de que el transmisor tenga conexiones de salida TEM o cuasi-TEM, una antena de doble polarización suele presentar conexiones separadas (es decir, una antena de parche cuadrado impresa con dos puntos de alimentación) e incorpora la función de un OMT mediante la transferencia intrínseca de las dos señales de excitación a los estados de polarización ortogonales.

Una señal de doble polarización transporta así dos flujos de datos independientes a una antena receptora, que puede ser de polarización simple, para recibir solo uno de los dos flujos a la vez, o un modelo de doble polarización, que retransmite la señal recibida a dos conectores de salida de polarización simple (a través de un OMT si se encuentra en una guía de ondas).

El sistema ideal de doble polarización se basa en la perfecta ortogonalidad de los dos estados de polarización, y cualquiera de las interfaces de polarización simple en el receptor contendría teóricamente solo la señal que se pretende transmitir con la polarización deseada, sin introducir interferencias y permitiendo que los dos flujos de datos se multiplexen y demultiplexen de forma transparente sin ninguna degradación debida a la coexistencia con el otro.

Entre las empresas que trabajan en tecnología PDM comercial se encuentran Siae Microelettronica , Huawei y Alcatel-Lucent .

Algunos tipos de radios de microondas para exteriores incorporan transductores ortomodo y operan en ambas polaridades desde una única unidad, realizando la cancelación de interferencias de polarización cruzada ( XPIC ) dentro de la propia unidad. Alternativamente, el transductor ortomodo puede estar integrado en la antena, permitiendo la conexión de radios independientes, o de puertos separados de la misma radio, a la antena.

Sin embargo, los sistemas prácticos presentan comportamientos no ideales que mezclan las señales y los estados de polarización:

• El OMT en el lado transmisor tiene una discriminación de polarización cruzada (XPD) finita y, por lo tanto, deja escapar parte de las señales que se supone que deben transmitirse en una polarización a la otra.
• La antena transmisora ​​tiene una XPD finita y, por lo tanto, deja escapar parte de sus polarizaciones de entrada al otro estado de polarización radiada.
• La propagación en presencia de lluvia, nieve y granizo crea despolarización, ya que parte de las dos polarizaciones incidentes se filtran a la otra.
• La XPD finita de la antena receptora actúa de forma similar a la del lado transmisor, y la alineación relativa de las dos antenas contribuye a una pérdida de la XPD del sistema.
• Asimismo, la XPD finita del OMT receptor mezcla aún más las señales del puerto de doble polarización a los puertos de polarización simple.

Como consecuencia, la señal en uno de los terminales de polarización única recibidos contiene una cantidad dominante de la señal deseada (que debe transmitirse en una polarización) y una cantidad menor de señal no deseada (que debe transmitirse en la otra polarización), lo que representa una interferencia sobre la primera. Por lo tanto, cada señal recibida debe eliminarse del nivel de interferencia para alcanzar la relación señal-ruido e interferencia (SNIR) requerida por las etapas de recepción, que puede ser del orden de más de 30 dB para esquemas M- QAM de alto nivel . Esta operación se lleva a cabo mediante una cancelación de interferencia de polarización cruzada (XPIC), que normalmente se implementa como una etapa digital de banda base.

En comparación con la multiplexación espacial , las señales recibidas en un sistema PMD presentan una relación portadora-interferencia mucho más favorable, ya que la cantidad de fuga suele ser mucho menor que la señal útil, mientras que la multiplexación espacial opera con una cantidad de interferencia igual a la cantidad de señal útil. Esta observación, válida para un buen diseño PMD, permite diseñar el XPIC adaptativo de forma más sencilla que un esquema de cancelación MIMO general, puesto que el punto de partida (sin cancelación) suele ser suficiente para establecer un enlace de baja capacidad mediante una modulación reducida.

Un XPIC generalmente actúa sobre una de las señales recibidas "C", que contiene la señal deseada como término dominante, y también utiliza la otra señal recibida "X" (que contiene la señal interferente como término dominante). El algoritmo XPIC multiplica "X" por un coeficiente complejo y luego lo suma a la señal recibida "C". El coeficiente de recombinación complejo se ajusta de forma adaptativa para maximizar el MMSE medido en la recombinación. Una vez que el MMSE mejora al nivel requerido, los dos terminales pueden cambiar a modulaciones de orden superior.

Se trata de un método novedoso para la transmisión de antenas polarizadas que utiliza una técnica diferencial.

La multiplexación por división de polarización se utiliza normalmente junto con la modulación de fase o la modulación QAM óptica , lo que permite velocidades de transmisión de 100 Gbit/s o más en una sola longitud de onda. Los conjuntos de señales de longitud de onda PDM se pueden transmitir a través de la infraestructura de multiplexación por división de longitud de onda , lo que puede ampliar sustancialmente su capacidad. Se pueden combinar múltiples señales de polarización para formar nuevos estados de polarización, lo que se conoce como generación de estado de polarización paralelo . ^{[ 1 ]}

El principal problema del uso práctico de PDM en sistemas de transmisión por fibra óptica radica en las variaciones del estado de polarización que se producen continuamente debido a cambios físicos en el entorno de la fibra. En sistemas de larga distancia, estas variaciones se acumulan progresivamente sin límite, lo que provoca una rotación rápida e irregular del vector de Jones de la luz polarizada en toda la esfera de Poincaré . La dispersión del modo de polarización , las pérdidas dependientes de la polarización y la modulación de polarización cruzada son otros fenómenos que pueden causar problemas en los sistemas PDM.

Por esta razón, PDM se utiliza generalmente junto con técnicas avanzadas de codificación de canal , lo que permite el uso de procesamiento digital de señales para decodificar la señal de manera resistente a los artefactos de señal relacionados con la polarización. Las modulaciones utilizadas incluyen PDM-QPSK y PDM-DQPSK . ^{[ 2 ]}

Entre las empresas que trabajan en tecnología PDM comercial se encuentran Alcatel-Lucent , Ciena , Cisco Systems , Huawei e Infinera .

• Mezclador de polarización
• Multiplexación por división de longitud de onda
• Multiplexación del momento angular orbital
• multiplexación por división de frecuencia ortogonal