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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
2 avril 2009page 3 Séminaire Labsticc
Evolution de la technologie
Sitch, J., High-speed digital signal processing for optical communications, Tutorial ECOC 2008
2 avril 2009page 4 Séminaire Labsticc
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…
2 avril 2009page 5 Séminaire Labsticc
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
2 avril 2009page 6 Séminaire Labsticc
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
2 avril 2009page 7 Séminaire Labsticc
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
2 avril 2009page 8 Séminaire Labsticc
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
2 avril 2009page 9 Séminaire Labsticc
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
2 avril 2009page 10 Séminaire Labsticc
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
2 avril 2009page 11 Séminaire Labsticc
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)
2 avril 2009page 12 Séminaire Labsticc
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
2 avril 2009page 13 Séminaire Labsticc
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
2 avril 2009page 14 Séminaire Labsticc
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)
2 avril 2009page 15 Séminaire Labsticc
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
2 avril 2009page 16 Séminaire Labsticc
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)
2 avril 2009page 17 Séminaire Labsticc
Importance du sur-échantillonnage
Kupfer, T. et al, Performance of MLSE in optical communication systems, ECOC 2007
2 avril 2009page 18 Séminaire Labsticc
Exemples de performance
Kupfer, T. et al, Performance of MLSE in optical communication systems, ECOC 2007
2 avril 2009page 19 Séminaire Labsticc
Comparaison des différents égaliseurs
Sitch, J., High-speed digital signal processing for optical communications, Tutorial ECOC 2008
2 avril 2009page 20 Séminaire Labsticc
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
2 avril 2009page 21 Séminaire Labsticc
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
2 avril 2009page 22 Séminaire Labsticc
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
2 avril 2009page 23 Séminaire Labsticc
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