الكشف المتماسك - Coherent Detection

لا يمكن أن يحقق الاكتشاف المتماسك حساسية أعلى من الاكتشاف المباشر فحسب بل يمكنه زيادة كفاءة الطيف بشكل كبير أي تشفير المزيد من البتات على كل رمز؛ لأنّه يستخدم الطور والسعة والاستقطاب لحامل ضوئي لنقل المعلومات، وعلى الرغم من أنّ الاكتشاف المتماسك قد حقق نجاحاً كبيراً في شبكات النقل البصري فإنّ جميع الوصلات البينية الضوئية داخل مراكز البيانات تقريباً تستخدم تقنيات تعديل الكثافة والكشف المباشر (IM-DD) بسبب التكلفة واستهلاك الطاقة والبصمة.

ما هو الكشف المتماسك – Coherent Detection؟

الاكتشاف المتماسك: هو تقنية للكشف عن الإشارات الضوئية مفيدة في كل من أنظمة اتصالات الألياف الضوئية والقياسات وأجهزة الاستشعار البصرية ويستخدم مذبذباً محلياً في جهاز الاستقبال، ممّا يتيح النقل بسرعة (100 جيجابت / ثانية) على طول موجي واحد لشبكات (DWDM) طويلة المد، ومع القدرة على القيام بالكشف المتماسك يمكن للمستقبل البصري أن يتتبع مرحلة المرسل البصري لاستخراج أي معلومات عن الطور والتردد التي تحملها إشارة مرسلة.

مزايا النقل البصري للكشف المتماسك:

يتميز نظام الإرسال البصري المتماسك بقدرته على القيام بالكشف المتماسك، ممّا يعني أنّ المستقبل البصري يمكنه تتبع طور المرسل البصري ومن ثم اتساق الطور لاستخراج أي معلومات عن الطور والتردد بواسطة إشارة مرسلة.

الاكتشاف المتماسك معروف جيداً في أنظمة الاتصالات اللاسلكية، وفي الأنظمة اللاسلكية يتم ضبط مذبذب محلي (local oscillator) للترددات الراديوية على (heterodyne) وهو تقنية معالجة إشارة تجمع بين إشارة عالية التردد (f1) وأخرى (f2) لإنتاج إشارة تردد أقل (f1 – f2) مع الإشارة المستقبلة من خلال جهاز مزج الترددات الراديوية، بحيث يمكن استرداد معلومات السعة والطور الموجودة في ناقل التردد اللاسلكي في معالج الإشارات الرقمية التالي (DSP).

بالنسبة لنظام متماسك بصري فإنّ الليزر القابل للضبط ذي النطاق الضيق، والذي يعمل بمثابة (LO) بحيث يضبط تردده إلى (intradyne) مع تردد إشارة مُستقبل من خلال خلاط بصري متماسك، وبالتالي يستعيد كلاهما معلومات السعة والطور الموجودة في ناقل بصري معين، وتعني كلمة “intradyne” أنّ فرق التردد بين المذبذب المحلي (LO) والحامل البصري المستقبِل صغير وضمن عرض نطاق المستقبل، ولكن لا يجب أن يكون صفراً، وهذا يعني أن تردد وطور (LO) لا يجب أن يتم التحكم فيهما بشكل فعّال وبدقة قصوى، وبالتالي تجنب استخدام حلقة مغلقة معقدة في الطور البصري.

مزايا الكشف المتماسك:

على النقيض من الاكتشاف المتماسك، فإنّ الاكتشاف المباشر يستخدم عادةً بواسطة أنظمة سرعة (10 جيجابت / ثانية) أو أنظمة سرعة منخفضة في مستقبل الكشف المباشر، ولا يستجيب كاشف الصور الخاص به إلّا للتغيرات في القدرة الضوئية للإشارة المستقبلة، ولا يمكنه استخراج أي معلومات طور أو تردد من الناقل البصري وبالتالي فإنّ الاكتشاف المتماسك يوفر العديد من المزايا الرئيسية، منها:

• تحسن كبير في حساسية المتلقي.
  
• يمكن استخراج معلومات السعة والتردد والطور من موجة حاملة بصرية، وبالتالي يمكن أن تحقق سعة أعلى بكثير في نفس عرض النطاق الترددي.
  
• يمكن لمعالج الإشارة الرقمية (DSP) أن يعوض تشتت وضع الاستقطاب واللون الكبير جداً في الصور بسبب الألياف الضوئية، ويلغي الحاجة إلى معوضات التشتت البصري والمضخمات الضوئية المرتبطة بها، وهذا لا يوفر النفقات الرأسمالية الكبيرة فحسب بل يبسط أيضاً تصميم الشبكة الضوئية بشكل كبير، لأنّ خريطة التشتت المعقدة المرتبطة بأنظمة الكشف المباشر (10G و40G) لم تعد ضرورية.
  
• عند استخدام أجهزة كشف متوازنة ذات نسبة نبذ ضوضاء عالية للوضع الشائع (CMRR)، لا يمكن تحسين نسبة الإشارة إلى الضوضاء (SNR) فحسب بل يمكن أيضاً تحقيق اختيار الطول الموجي السريع عن طريق ضبط المذبذب المحلي (LO) دون استخدام مرشح بصري أو مزيل تعدد الإرسال، كما تتيح هذه الميزة الجيل التالي من معددات الإرسال الضوئية الإضافية القابلة لإعادة التكوين (ROADM) عديمة اللون وعديمة الاتجاه (CD) أو حتى عديمة اللون وبدون اتجاه وبلا تنازع (CDC).
  

ملاحظة: إنّ ضوضاء طور الليزر من (LO) تعد ضعفاً مهماً في الأنظمة المتماسكة لأنّها تؤثر على تماسك الطور وترتبط معلومة عرض الخط لديود الليزر ارتباطاً مباشراً بضوضاء طورها.

على الرغم من أنّ مفهومها الأساسي مشتق من أنظمة الاتصالات اللاسلكية، إلّا أنّ الاكتشاف المتماسك قد بدأ نقلة نوعية أخرى في اتصالات الألياف الضوئية، ولقد أصبح تأثيره كبيراً مثل ما جلبته ثنائيات الليزر التجارية ومضخمات الألياف المشبعة بالإربيوم إلى الصناعة، وبالتالي أصبحت الشبكات الضوئية طويلة المدى بالفعل متمركزة في الوقت الحاضر، في حين أنّ شبكات المترو الضوئية ستصبح مركزية متماسكة في السنوات القليلة المقبلة.

الفرق بين الاكتشاف المتماسك والاكتشاف المباشر:

يمكن للاكتشاف المباشر فقط اكتشاف اتساع الإشارات عند استقبال محطة الاستقبال، كما يختلف عن الاكتشاف المتماسك الذي يمكنه استخراج معلومات السعة والتردد والطور من الناقل البصري، يمكن لنظام الكشف المباشر فقط تعديل الموجة الضوئية عبر تعديل الكثافة.

يتم استخدام الاكتشاف المباشر للاتصالات القصيرة والاتصالات من نقطة إلى نقطة في شبكات المترو، من خلال الاستفادة من (PAM4)، كما يمكن للاكتشاف المباشر الآن الوصول إلى مسافات تصل إلى (80 كم) مع الامتثال لمتطلبات نسبة الإشارة الضوئية إلى الضوضاء، ومع الاستفادة من الحجم الصغير والبنية المبسطة والاستهلاك المنخفض، يصبح نظام الاتصالات للكشف المباشر لتعديل الكثافة (IM / DD) هو الخيار المثالي للاتصال البصري قصير المسافة، وقد أدت التطورات التكنولوجية الحديثة إلى دفع الاكتشاف المباشر للتطبيق في شبكات مترو (DCI).

1. سعة الألياف – Fiber capacity:

مقارنة بالكشف المباشر يمكن للاكتشاف المتماسك استخراج معلومات السعة والتردد والطور من ناقل بصري، وبالتالي يمكن أن يحقق سعة ألياف أعلى بكثير في نفس النطاق الترددي.

2. البساطة – Simplicity:

يستخدم الاكتشاف المتماسك معالج الإشارات الرقمية (DSP) الذي يمكنه تعويض التشتت اللوني الكبير ووضع الاستقطاب دون الحاجة إلى مكبرات الصوت الضوئية ومعوضات التشتت البصري المستخدمة في الاكتشاف المباشر والكشف المتماسك أكثر تسامحاً مع ضعف الخط من الاكتشاف المباشر بسبب ال (DSP)، ممّا يجعل تصميم الشبكة الضوئية للكشف المتماسك مبسطاً ومتماسكاً وأبسط بكثير من الاكتشاف المباشر.

3. التكلفة – Cost:

تتطلب شبكات الكشف المتماسكة دوائر متكاملة خاصة بالتطبيق ولا تحتاج إلى معالجات إشارات رقمية ولا تحتاج للكشف المباشر عن الشبكات، ممّا يعني أنّ الاكتشاف المباشر يتخلص من الكثير من التكاليف بسبب أجهزة الإرسال والاستقبال (100G) بحيث يكون أكثر جاذبية من حيث التكلفة مقارنة بالكشف المتماسك.

4. استهلاك الطاقة – Power consumption:

الحاجة إلى مكونات بصرية إضافية بالإضافة إلى (DSP) في الكشف المتماسك ينتج عنه ليس فقط تكلفة أعلى ولكن أيضاً استهلاك طاقة أعلى، على العكس من ذلك فإنّ الاكتشاف المباشر يقضي على (DSP) المتعطش للطاقة بحيث يتم استهلاك طاقة أقل من أنظمة الكشف المتماسكة.

5. المسافة – Distance:

مع زيادة التقدم التكنولوجي، يمكن للاكتشاف المباشر نقل (100G) والوصول إلى مسافة تصل إلى (80 كم) بينما يمكن نشر الاكتشاف المتماسك في جميع أنحاء العالم، كما يمكن أن تصل مسافة الإرسال إلى آلاف الكيلومترات.

مزايا مستقبلات الكشف المتماسكة:

كانت أجهزة الإرسال والاستقبال الضوئية التي تستخدم الكشف المتماسك الدعامة الأساسية في النقل لمسافات طويلة منذ حوالي عام 2010م، ومن خلال السماح بإعادة بناء المجال الكهربائي البصري تحقق المستقبلات المتماسكة المزايا التالية:

1. زيادة الكفاءة الطيفية:

يمكن تشفير المعلومات بجميع الأبعاد المتاحة (الاستقطاب + التربيع) للألياف الضوئية.

2. تحسين كفاءة الطاقة الضوئية:

يمكن دعم أي تنسيق تعديل تعسفي، ممّا يسمح بتقنيات مثل تشكيل الكوكبة والتشكيل الاحتمالي لتحقيق أداء إشارة إلى ضوضاء أقرب إلى حد شانون.

3. تعويض معالجة الإشارات الرقمية لانحطاط القناة:

يمكن استخدام المعادلات الخطية التكيفية لتعويض الانحطاط الخطي مثل التشتت اللوني وتشتت أسلوب الاستقطاب، كما يمكن أيضاً التخفيف من عدم خطية الألياف باستخدام الانتشار العكسي الرقمي وسلسلة فولتيرا وغيرها من الأساليب، كما يتيح الجمع بين الاكتشاف المتماسك و(DSP) عالي السرعة منصة استقبال قابلة للضبط بدرجة عالية.

4. زيادة حساسية المستقبل:

يصبح من الممكن التغلب على حد ضوضاء اللقطة عن طريق زيادة قدرة المذبذب المحلي، ممّا يسمح بالأداء الذي يقتصر في النهاية على نسبة الإشارة الضوئية إلى الضوضاء للوصلة.

5. إدارة طيفية محسنة:

يمكن استخدام المرشحات الرقمية لفك تعدد إرسال ناقل بصري مهم، ممّا يتيح تباعد الموجات الحاملة الضوئية عن بعضها البعض ويسهل الإرسال عبر القناة الفائقة.

مزيل التشكيل المتماسك – Coherent demodulator:

تشتمل أداة إزالة التشكيل المتماسكة لاستعادة تضمين الطور من إشارة التردد الوسيط للإدخال على حلقة مغلقة من الطور لها تردد قابل للتحويل وكاشفات طور، وأثناء الاستحواذ الأولي يتم ضبط تردد الحلقة المغلقة للطور ليكون مساوياً للتردد الوسيط للإدخال من خلال مقارنة تردد الحلقة مع تردد الإدخال في كاشف التردد واستخدام إشارة الخطأ الناتجة لضبط تردد الحلقة.

وبعد الاستحواذ يحافظ كاشف الطور على طور تردد الحلقة، ومغلقاً على تردد الإدخال باستخدام إشارة الخطأ الناتجة لضبط طور تردد الحلقة وإشارة الخطأ من كاشف الطور هي تعديل المرحلة المستعادة، كما تشتمل حلقة التحكم الثانية على مرشح تمرير ضيق مضبوط على التردد المطلوب لتردد الحلقة بحيث يتم تلخيص إشارة الخطأ من الحلقة الثانية بإشارة الخطأ المذكورة الأولى للحفاظ على تردد الحلقة بدقة.