Warum verringert sich die nichtlineare Faserkapazitätsgrenze für höhere Signal-Rausch-Verhältnisse?

Abnahmen der spektralen Effizienz nach bestimmten hier gezeigten SNRIn der Glasfaserkommunikation gibt es das Konzept der nichtlinearen Shannon-Grenze (siehe z. B. diesen Artikel ), was impliziert, dass die Kommunikationskapazität einer Glasfaser bei hohem SNR abnimmt. Ich verstehe dieses Konzept nicht und insbesondere den Ursprung der Abnahme der spektralen Effizienzabnahme nach einer bestimmten Erhöhung des SNR. Ich habe den Beitrag ( Negatives SNR und Shannon-Hartley-Theorem ) zum Shannon-Kapazitätstheorem gelesen, aber er hat mein Konzept nicht geklärt.

Ich benötige diese Antwort, um die Kapazitätsgrenze von 1 Tbps für Singlemode-Glasfaser zu erklären. Daher wäre es für mich hilfreich, wenn mir jemand auch den zweiten Teil (Ursache der Begrenzung der Singlemode-Übertragung) beantwortet

Ich verstehe nicht, was Sie fragen. Die Shannon-Grenze ( B = C Protokoll 2 ⁡ ( 1 + S N R ) ) ist eine monoton steigende Funktion des SNR. Es fällt nicht nach einem bestimmten SNR. Es fällt, wenn Sie das SNR verringern.
Außerdem nimmt die Shannon-Grenze die Kanalbitrate (C) als gegeben an, daher ist dies kein guter Anfang, wenn es darum geht, die Bandbreite eines physischen Kanals zu schätzen.
@ThePhoton Nein, die Nichtlinearität ist die Abweichung von dieser Gleichung; Es wird beobachtet, wenn Sie über große Entfernungen mit hoher Signalleistung übertragen. Das stärkere elektrische Feld bewirkt eine Änderung des Brechungsindex des Siliziumdioxids in den Drähten. Ich kann keine Referenz finden, aber ich bin mir ziemlich sicher, dass ich das irgendwo gelesen habe.
@Chair, das ist eine echte Grenze für die Faserkapazität, wird aber nicht als "nichtlineare Shannon-Grenze" bezeichnet.
@ThePhoton: Anscheinend heißt es so: siehe z. B. ieeexplore.ieee.org/document/7537418 : „Viele Arbeiten deuten auf die Existenz einer Obergrenze hin – die normalerweise, aber fälschlicherweise als nichtlineare Shannon-Grenze bezeichnet wird – für die Rate, mit der Informationen zuverlässig über den Glasfaserkanal übertragen werden, unabhängig von der verfügbaren optischen Leistung“
Warum ist diese Frage in der Warteschleife? Wenn die Frage unklar erscheint, liegt das eigentlich daran, dass das OP seine Antwort nicht kennt (daher die Frage!). Das Konzept der nichtlinearen Shanon-Grenze ist eine weithin untersuchte physikalische Grenze optischer Fasern und scheint aktuell zu sein. (Wenn die Frage erneut geöffnet wird, verspreche ich eine Antwort)
Entschuldigung für einige unvollständige Informationen. Ich habe gesehen, dass wenn das SNR die spektrale Effizienz bis zu einer bestimmten Grenze erhöht und dann abnimmt, obwohl das SNR zunimmt, was ich in Frage stellte, warum das abnimmt
Ich stimme dafür, diese Frage erneut zu öffnen. @HasanShuvo, bitte fügen Sie der Frage ein paar Details hinzu, wie vielleicht einige Artikel, die darauf hinweisen, dass die nichtlineare Shannon-Grenze ein formal beobachtetes Konzept ist. Ich bin mir ziemlich sicher, dass der Mangel an Informationen in der Frage sie zufällig erscheinen ließ. Ich sehe nicht wirklich den Sinn, den Physics SE-Artikel über negatives SNR zu verlinken ... vielleicht würden einige Auszüge daraus helfen, die Frage klarer zu machen.
Wenn ich das Diagramm von dem, was ich sage, anhängen könnte, wäre es für alle freigegeben, aber ich habe hier keine Option gesehen, um ein Foto anzuhängen.
Ich habe Details meiner Frage durch Bearbeiten hinzugefügt. Wenn etwas unklar ist, sag es mir trotzdem. Und ich bin neu hier, also kann es sein, dass ich einige Fehler mache, wenn ich die Regeln dieser Seite befolge. aber bitte ich brauche die Antwort auf die Frage für meine Recherche. Helfen Sie mir @Frédéric Grosshans
@HasanShuvo Bilder wären nützlich. Neben den Optionen für fetten und kursiven Text sollte es eine Option zum Anhängen eines Bildes geben (abhängig vom Gerät). Andernfalls können Sie in den Kommentaren einen Link zu einem Bild einfügen, und jemand, der mit dem System vertraut ist, kann es bearbeiten und Ihnen zeigen, wie der Abschlag dafür aussieht.
@Chair: Ich habe die Frage des OP ein wenig umformuliert (aber ich kann sie nicht beantworten, weil sie in der Warteschleife liegt). Und fügte einen Link zu einem Papier hinzu, das Diagramme eines solchen Rückgangs enthält.
@Frédéric Grosshans danke für die Bearbeitung. Ich habe das von Ihnen verlinkte Papier geschrieben und genau nach diesen Grafiken gefragt. Ich habe jetzt auch eine solche Grafik in meine Frage eingefügt. Aber wie kann es wieder geöffnet werden?
@HasanShuvo: Die Figur ist nett, aber ihre Quelle sollte auch explizit sein.
@Frédéric Grosshans Das habe ich einer Folie entnommen, deren Link mir jetzt nicht zur Verfügung steht. Übrigens, da meine Frage in der Warteschleife liegt und Sie sie beantworten möchten. Gibt es eine Möglichkeit (soziale Medien oder E-Mail), mit der Sie darauf antworten könnten? Ich weiß nicht mehr über die Regeln hier, also habe ich das gefragt, da ich meine Antwort dringend brauche
@FrédéricGrosshans, danke, das ist ein neuer Begriff für mich. Aber was wirklich vor sich geht, ist nicht, dass die Shannon-Grenze modifiziert wird – vielmehr hängt das SNR bei Vorhandensein von nichtlinearem Verhalten nicht linear von der Signalleistung ab.
Eine kurze Antwort, bevor Ihre Frage genügend Wiedereröffnungsstimmen sammelt: Der entscheidende Punkt, wie der Graph mit nichtlinearen Signal-Signal-Wechselwirkungen zeigt. Dies bedeutet, dass bei hoher Leistung in der Faser nichtlineare Wechselwirkungen ein Übersprechen zwischen den Kanälen induzieren. Das bedeutet, dass das Signal in einem Kanal mehr Rauschen in einem anderen Kanal induziert, sodass das Erhöhen der Signalleistung über einen bestimmten Schwellenwert hinaus das effektive Rauschen erhöht und tatsächlich das effektive SNR und die Kapazität verringert.
@ThePhoton: In der Tat, aber um das zu wissen, muss man die Antwort auf die Frage effektiv kennen ...
@ Frédéric Grosshans Vielen Dank. Ich habe so viele Dateien gesucht und gelesen. Endlich einen Punkt bekommen. Ich wäre Ihnen dankbar, wenn Sie mir sagen würden, wie Multimode-Fasern diese Shannon-Grenze überschreiten? genauso wie sie aus diesem Grund auch mehr Singlemodes in einem Kern zur Verfügung haben?

Antworten (1)

Die Kapazität eines Bandbreitenkanals W ist seit den 1940er Jahren als Shannon-Grenze bekannt :

C = W Protokoll ⁡ ( 1 + S N R ) ,
Wo S N R ist das Signal-Rausch-Verhältnis. In einer optischen Faser im linearen Bereich ist das Rauschen im Wesentlichen unabhängig vom Signal, und das bedeutet, dass man nur die Signalleistung erhöhen muss, um die Rate zu erhöhen. Rechnerisch scheint eine unendliche Rate möglich, aber die logarithmische Abhängigkeit macht die Erhöhung richtig teuer. Aus diesem Grund konzentrierte sich die Kapazitätssteigerung von Glasfasern in der Vergangenheit mehr auf die Erhöhung der Bandbreite W , über WDM. Dies jedoch W Die Erhöhung hat einige Grenzen, und die Menschen arbeiten auch daran, die Leistung zu erhöhen.

Die Shannon-Formel stellt sicher, dass man für einen linearen Kapazitätsanstieg einen exponentiellen Anstieg benötigt S N R , und daher eine exponentielle Zunahme der optischen Leistung. Das bedeutet, dass an einem gewissen Punkt nichtlineare Effekte bemerkbar sind und das schaffen, was manchmal als „ nichtlineare Shannon-Grenze “ bezeichnet wird. Der Haupteffekt besteht darin, dass der Kanal kein additiver Kanal mehr ist: Das Signal als Ausgang des Kanals kann nicht als Addition des Eingangssignals und eines unabhängigen Rauschens analysiert werden, und die obige Formel ist nicht mehr gültig. Tatsächlich wirkt ein Teil des Signals als Rauschen für andere Teile des Signals, wodurch ein Effekt entsteht S N R die mit zunehmender Signalleistung über eine Leistungsschwelle hinaus abnimmt, und daher eine abnehmende Kapazität über einer gegebenen optimalen Eingangsleistung (bei - 5  dBM ≃ 300  µW auf deinem Graphen.

Soweit ich verstanden habe (dies ist nicht mein Forschungsthema), ist das Konzept der nichtlinearen Shannon-Grenze ein aktives Forschungsthema: Es hat keine saubere Formulierung, und einige Forscher behaupten, dass dies im Gegensatz zur Shannon-Grenze keine universelle Grenze ist sondern ein Artefakt aktueller Codierungstechniken.

„Ein Teil des Signals wirkt als Rauschen für andere Teile des Signals“ – warum? Liegt das daran, dass das Signal in einem Kanal mehr Rauschen in einem anderen Kanal verursacht?
Linear bedeutet im Grunde, dass man das Signal als Summe seiner Teile betrachten kann und diese nicht mit den anderen interagieren. Nichtlinear bedeutet, dass diese Annahme nicht mehr zutrifft. In Ihrem Diagramm zeigt der Unterschied zwischen der grünen Kurve (1 Kanal) und der roten Kurve (WDM, d. h. mehrere Kanäle), dass der dominierende Effekt tatsächlich Interaktionen zwischen den Kanälen sind
Warum verringert sich die nichtlineare Faserkapazitätsgrenze für höhere Signal-Rausch-Verhältnisse?
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