Optical Orthogonal Frequency Division Multiplexed communication systems: analysis, design and optimization

Abstract

En este trabajo se realiza una intensiva labor teórica de descripción de sistemas de comunicaciones ópticas que utilizan la técnica de multiplexación por división de frecuencias ortogonales (OFDM en inglés), más concretamente en sistemas con modulación directa de la intensidad de un láser y detección directa.

Se parte pues de un modelo analítico que estudia con detalle todos aquellos fenómenos que afectan a la señal de información detectada en el receptor. Tales fenómenos son: la nolinealidad del láser, las modulaciones de intensidad y de fase ópticas, la propagación a través de la fibra óptica teniendo en cuenta la dispersión cromática de primer orden, y la detección de intensidad óptica final mediante un detector de ley cuadrática. El modelo analítico es validado mediante comparaciones con resultados obtenidos a través de simulaciones con software comercial.

Dada la característica singularidad de las señales OFDM debidas a su naturaleza multi-portadora, la amplitud de la señal generada es aleatoria, y el modelo analítico es complementado con un estudio que contempla el recorte o "clipping" en el transmisor. Además, se tiene en cuenta los efectos de filtrado de la señal a lo largo de sistema de comunicaciones. Con el trabajo analítico realizado se está en disposición de realizar una descripción bastante completa de los principales fenómenos y realizar estudios para evaluar el funcionamiento final ante diferentes valores de los parámetros del sistema.

Es bien sabido que los sistemas de comunicaciones ópticas con modulación y detección directa se ven perjudicados por la distorsión no lineal, que para señales multi-portadora como OFDM se traduce en la mezcla de los símbolos de información que transportan las diferentes subportadoras. Para mitigar la distorsión no lineal y así mejorar el funcionamiento del sistema, se propone el uso de una técnica de pre-distorsión que se basa en el modelo analítico previamente propuesto. Esta técnica mejora la eficiencia de modulación, haciendo posible incrementar el término de la señal de información sin que se vea incrementada la distorsión no lineal en el receptor. La técnica aquí propuesta se compara también con otra ya publicada con el objetivo de evaluar su funcionamiento.

Otra técnica para la mejora de sistemas con modulación y detección directas es la realizada mediante filtrado óptico. Aunque se conoce de forma más o menos intuitiva su funcionamiento para formatos de modulación ópticos tradicionales, es preciso disponer de una formulación matemática para señales ópticas OFDM para entender de forma exacta su principio de operación, las mejoras obtenidas, así como su potencial. En esta estapa se realiza esta formulación matemática ampliando el análisis teórico previamente propuesto, y se aplica para evaluar el funcionamiento obtenido con diversas estructuras de filtrado óptico.

Finalmente, puesto que un potencial escenario de funcionamiento para señales ópticas OFDM son las redes de acceso donde operan más de un usuario, se propone y se estudia la técnica "interleaving division multiple access" (IDMA) en combinación con OFDM.