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Aperçu de la recherche en traitement numérique du signal pour les transmissions sur fibre optique

Raphaël Le BidanTELECOM Bretagne, Dépt. SC

Séminaire Labsticc – 2 avril 2009

2 avril 2009page 1 Séminaire Labsticc

Apport du traitement du signal à l’optique

� Détection cohérente + traitement numérique du signal = solution prometteuse pour le transport haut débit sur f ibre

� Avantages du traitement numérique du signal• Coût d’intégration • Facilité de déploiement• Capacité d’adaptation à l’existant• Évolutivité dans le temps• Facilités de diagnostic

� Exemples d’applications• Traitement électronique de la dispersion (EDC)• Démodulation des récepteurs cohérents• Nouveaux formats de modulation (OFDM)

Séminaire Labsticc

Le système Nortel « PolMux QPSK 40G »

Sun, Wu & Roberts, Real-time measurements of a 40 Gb/s coherent system , Optics Express, vol. 16, 2008

Une nouvelle architecture de réception


Evolution de la technologie

Sitch, J., High-speed digital signal processing for optical communications, Tutorial ECOC 2008


Quelques thèmes de recherche

� Compensation électronique des dispersions• Egalisation linéaire (LE, DFE)• Egalisation non linéaire à base de filtres• Egalisation non linéaire MLSE (Viterbi)• Précompensation à l’émission

� Compensation des imperfections des composants• Bruit de phase• IQ Imbalance

� Modulation OFDM optique (Hot topic !!)

� Codage correcteur

� Interactions entre les fonctions précédentes

� Nouvelles formes de détection

� Etc…


Méthodologie de simulation « offline »

S. Jansen, Optical OFDM for long haul transport networks , Leos Annual Meeting, 2008

24 Gs/s, BW=10Ghz, 10 bits

50 Gs/s, BW=50Ghz, 4 sorties


L’interférence entre symboles (IES)

Fibre optique

Transmission IMDD/NRZ sur fibre SMF G.652 @ 10.7Gb/s : +1 bit d’IES / 50km

Les défauts de la fibre engendrent de l’IES (linéaire ou non-linéaire)

yn = F(xn,xn-1,…,xn-m) + bn

Solutions pour combattre l’IES : l’égalisation mono-porteuse, l’OFDM


L’égaliseur linéaire transverse

DEMODOPTIQUE ADC D D

+

A0 A1 A2

|A(f)|

a[k]

|A(f)H(f)|

(a∗h)[k]

Échantillonnage au pas T (égaliseur synchrone) ou T/n (égaliseur fractionné)

Différents critères d’optimisation pour le filtre (ZF, MMSE, Min. BER)

R. W. Lucky

|H(f)|

h[k]

Winters J. et al, Reducing the effects of transmission impairments in digital fiber optic systems, IEEE Comm. Mag., 1993


L’égaliseur à retour de décision (DFE)

D D

+

A0 A1 A2

h[k] (h∗a)[k]

D

B0 B1

+

b[k]

+−−−−

Haunstein, H. et al, Principles for electronic equalization of PMD, IEEE J. Lightwave Technol., Apr. 2004

D

ADC

Réalisable en version synchrone ou fractionnée

Plus performant que l’égaliseur linéaire mais risque de propagation d’erreurs

Différents critères d’optimisation pour les filtres (ZF, MMSE, Min. BER)

Qureshi, S. U. H. , Adaptive equalization, Proc IEEE, vol. 73, Sept. 1985


Compensation des non-linéarités

D

( )2

+

A0

D

B0 B2

+

Différentes approches possibles : séries de Volterra, modèles d’état, …

+−−−−

Xia & Rozenkranz, Nonlinear electrical equalization for different modulation formats with optical filtering , IEEE J. Lightwave Technol., Apr. 2007

A1 A2

( )2

A3 A4

D

B1

Haunstein, H. et al, Principles for electronic equalization of PMD, IEEE J. Lightwave Technol., Apr. 2004


Pré-compensation électronique

EGALISATION A L’ÉMISSION

Roberts, K.et al, Electronic precompensation of optical nonlinearity, IEEE Photonics Tech. Letters, Jan. 2006

DSP DACMODUL.

OPTIQUE

Pré-compensation linéaire ou non linéaire

Adaptation sur la base d’un lien retour ou bien post-traitement en réception

LASER

Killey, R.et al, EDC by signal predistorsion using digital processing and a dual-drive MZ modulator, IEEE Photon. Technol. Lett., Mar. 2005


Exemple 1: Apport de l’égalisation pour différents formats de transmission à 40G

Franz, B. et al, Performance improvements of different modulation formats by applying adaptive electronic equalization in 43 Gbit/s systems, ECOC 2007

5-tap FS-FFE + 1-tap DFE (43 Gb/s sur fibre SMF, TEB cible=1E-4)


Un récepteur cohérent PolMux typique

S. J. Savory, Compensation of fiber impairments in digital coherent systems , ECOC 2008, Mo.3.D.1

E. P

incemin, P

résentation àla journée IR

100GbE

, Lannion, Oct. 2008


Une double fonction d’égalisation

D. Van den Borne & al, Electrical PMD compensation in 43 Gb/s POLMUX NRZ DQPSK enabled by coherentdetection and equalization , ECOC 2007

Compensation CD (égalisation SISO)

Relativement stationnaire

Compensation PMD + CD résiduelle (égalisation MIMO 2x2)

Canal variant dans le temps

Nombreux travaux sur les critères et les algorithmes d’adaptation (LMS-DD, CMA, …) en fonction de la constellation (QPSK, 16-QAM, …)

Fludger & al, Coherent equalization and POLMUX RZ DQPSK for robust 100GE transmission, J. LightwaveTechnol., vol. 26, Jan 2008


Exemple 2 : Optimisation d’un récepteur PolMux 16-QAM

Louchet & al, Improved DSP algorithms for coherent 16-QAM transmission , ECOC 2008, Tu.1.E.6

(ADC 6 bits, 5 taps / FIR )

Bruit de phase CD PMD

Egalisation CMA / MMASynchro Phase

(algo Viterbi & Viterbi amélioré)


L’égaliseur MLSEA. Viterbi G. D. Forney, Jr G. Ungerboeck

S’appuie sur la représentation en treillis de l’IES

(0,0)

(0,1)

(1,0)

(1,1)

P(y0|000)

P(y0 |100)

P(y1|000)

P(y1 |110)

P(y 1|010)

P(y2|000)

P(y 2|0

11)

P(y 2|001)

P(y2|111)

n=0 n=1 n=2 n=3

P(y1 |100)

P(y2 |110)

P(y 2|010)

P(y2 |100)

P(y2 |101)

Objectif : trouver le chemin de poids minimal dans le treillis (algorithme de Viterbi )

2m états si m bits d’IES


Mise en oeuvre

Poggiolini, P., MLSE receivers : Application scenarios, fundamental limits and experimental validations, ECOC 2008

DEMODOPTIQUE ADC FILTRE VITERBI DECODEUR

CALCUL DESMETRIQUES

EGALISEUR MLSE

Échantillonnage à T ou T/2

Préfiltrage pour réduire l’IES

Estimation non-paramétrique (histogramme) ou paramétrique (méthode des moments)

Agazzi et al, MLSE in dispersive optical channels, J. Lightwave Technol., Feb. 2005

État de l’art : processeurs 4 à 16 états à 10 Gb/s (CoreOptics, ClariPhy)

(expérimentations off-line jusqu’à 1024 états ou plus)


Importance du sur-échantillonnage

Kupfer, T. et al, Performance of MLSE in optical communication systems, ECOC 2007


Exemples de performance

Kupfer, T. et al, Performance of MLSE in optical communication systems, ECOC 2007


Comparaison des différents égaliseurs

Sitch, J., High-speed digital signal processing for optical communications, Tutorial ECOC 2008


Conversion analogique-numérique (ADC)

Information « souple » à la disposition du décodeur…

111

110

101

100

000

001

010

011

"1" très sûr

"0" relativement sûr

"1" peu sûr

"0" moyennement sûr


Évolution du codage FEC en optique

Q=11.2 dB (BERin=2.10-4)

Q=8.0 dB (BERin=5.10-3)

Q=6.3 dB (BERin=2.10-2)

Mizuochi, T., Recent progress in FEC and its interplay with transmission impairments, IEEE J. Selec.Topics Quantum Elec., July 2006 + Tutorial ECOC 2007


Mitsubishi Electric

TELECOM Bretagne / PRACom

Turbocodes en blocsDec. lignes

Dec

. col

onne

s

� Turbo BCH (256,239)x(144,128), 23.6% overhead, NCG=10.1 dB @ 10-13

� Circuit VLSI 16MGates 4Mb RAM Conso=10W (0.13µm CMOS)

� Fonctionne à 10 Gb/s et 40 Gb/s (4 x 10 Gb/s)

� Turbo RS(31,29)2 ,12.5% overhead , NCG @ 10-13 = 8.7 dB

� Turbo RS(63,61)2 , 8.7% overhead , NCG @ 10-13 = 8.9 dB

� Prototype FPGA (carte DINIGROUP avec 6 Virtex-5)

� Fonctionne à 10 Gb/s et 40 Gb/s

Solutions matérielles FEC 3 ème génération


Actions sur cette thématique

� Objectif : mutualiser les compétences traitement du signal / transmissions optiques / intégration matérielle

� Co-encadrement de thèse Orange / OPT / SC (D. Leroux)

� Proposition ANR VERSO « OFDM 100G » (porteur : Orange)• 9 partenaires, dont TB (OPT+SC+ELEC) et TP (COMELEC)• Etude du potentiel de l’OFDM pour le transport 100G sur les

réseaux cœur & métro• Réalisation d’un prototype temps réel

� Proposition de thèse Futur & Rupture (SC+OPT)• Conception et optimisation d’un système mono-porteuse avec

égalisation fréquentielle pour le transport 100 Gb/s• Apport des récepteurs itératifs au transport très haut débit

Documents

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