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Lehrstuhl für Nachrichten- und ÜbertragungstechnikTechnische Fakultät
Christian-Albrechts-Universität zu Kiel, Germany
Experimentelle Untersuchung kohärenter optischer 16QAM Übertragung mit Polarisationsmultiplexing
bis 25 GBaudDennis Clausen
ITG-Workshop 5.3.1, Februar 2014Modellierung photonischer Komponenten und Systeme
T-Labs, Berlin
-2-Lehrstuhl für Nachrichten und ÜbertragungstechnikChristianAlbrechtsUniversität zu Kiel
D. Clausen, ITG-Workshop 5.3.1 20.-21.2.2014
Motivation
Kohärente Detektion + DSP
Kompensation von Störungen (CD, PMD, ISI, Phasenrauschen) und Polarisationsdemultiplexing
25 GBaud AWGDP-16QAM
Datenraten bis zu 100 Gbit/s pro Polarisation und Wellenlänge
Clusterbasierte Detektion
Kompensation von weiteren Beeinträchtigungen wie IQ-Ungleichheit
-3-Lehrstuhl für Nachrichten und ÜbertragungstechnikChristianAlbrechtsUniversität zu Kiel
D. Clausen, ITG-Workshop 5.3.1 20.-21.2.2014
Gliederung
1. Experimenteller Aufbau2. Übersicht der Messungen3. Digitale Signalverarbeitung
Übersicht Empfänger-DSP 2x2 Butterfly FIR Entzerrung Trägerphasenrückgewinnung Clusterbasierte Detektion
4. Ergebnisse der Messungen5. Fazit
-4-Lehrstuhl für Nachrichten und ÜbertragungstechnikChristianAlbrechtsUniversität zu Kiel
D. Clausen, ITG-Workshop 5.3.1 20.-21.2.2014
Experimenteller Aufbau:Vereinfachtes Blockschaltbild
PBC = Polarisations Beam CombinerPBS = Polarisations Beam Splitter
VOA = Variable Optical AttenuaterEDFA = Erbium Doped Fiber Amplifier
-5-Lehrstuhl für Nachrichten und ÜbertragungstechnikChristianAlbrechtsUniversität zu Kiel
D. Clausen, ITG-Workshop 5.3.1 20.-21.2.2014
Messungen:Übersicht
Modulationsformat: o 16QAM bzw. DP-16QAM
Hardware:o DAC: Tektronix AWG 70002A mit 2 x 25 GSa/so ADC: Tektronix DPO 72004 mit 4 x 50 GSa/s
Messungen:o Einfach polarisierte Übertragungen (16QAM) über eine Wellenlänge (1552 nm)
• 20 GBaud über 200 km SSMF 80 Gbit/s (brutto)
• 25 GBaud über 200 km SSMF 100 Gbit/s (brutto)
o Zweifach polarisierte Übertragungen (DP-16QAM) über eine Wellenlänge (1552 nm)
• 20 GBaud über 200 km SSMF 160 Gbit/s (brutto)
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D. Clausen, ITG-Workshop 5.3.1 20.-21.2.2014
Digitale Signalverarbeitung:Empfänger DSP
Umtastung
Non−integer fractional 2x2 Butterfly Entzerrer
Trägerphasen-rückgewinnung
Demodulation
Anti-Aliasing Filter
Digitale Dispersions-kompensation ( )
( )DDK 2 22 SSMF
1exp 2
H fj f Lp b
=⋅ ⋅ ⋅
DSP sf w f= ⋅
TP,3dB s0,9f f= ⋅Butterworth−Filter 5−ter Ordnung mit
K-Means Algorithmus
Differentielle Dekodierung der Datensymbole zur BER-Messung
Clusterbasierte Detektion
QPSK-Partitionierung mit Viterbi-Viterbi und ML Phasenschätzer
Frequenzbereichsentzerrung:
T T1, 1,11 21
T T2, 2,21 22
ˆˆ
ˆk k
kk k
y yW Wy
y yW W
Zeitbereichsentzerrung (FIR):
Abtastfaktorw=s Symbolfrequenzf =
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D. Clausen, ITG-Workshop 5.3.1 20.-21.2.2014
Butterfly Entzerrung:Non-integer fractional
M Abtastpunkte pro K Datensymbole
vgl. Ip, E.; Kahn, J.M., "Digital Equalization of Chromatic Dispersion and Polarization Mode Dispersion," Lightwave Technology, Journal of , vol.25, no.8, pp.2033,2043, Aug. 2007
M = 3K = 13w=
M = 3K = 21.5w=
DSP sMw f f K= = Ï• Non-Integer:
1w>• Fractional:Flexible ADC (DSP)
s = Laufindex über Ksam
DSP
1Tf
=
• Buttferfly-Struktur: Entzerrung von ISI + DP-Demultiplexing
• Entzerrer Koeffizienten Wio trainiert nach MMSE Kriterium
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D. Clausen, ITG-Workshop 5.3.1 20.-21.2.2014
TrägerphasenrückgewinnungQPSK-Partitionierung mit Viterbi-Viterbi und ML Phasenschätzer
1
4
1: ( )
1 ( ( ))ˆ ( ) arg4 ( )n y n C
y k nky k n
jÎ
æ ö- ÷ç ÷= ç ÷ç ÷ç -è øå
1 2ˆ ˆ ˆ( ) ( ) ( )k k kj j j= +
( ) ( )( )2
2 1 1 dec: ( )
ˆ ˆ ˆ( ) arg ( ) exp ( ) ( ) exp ( )n y n C
k y k n j k y k n j kj j j*
Î
æ ö÷ç é ù ÷= - ⋅ - ⋅ ⋅ - ⋅ - ⋅ç ÷ë ûç ÷çè øå
QPSK-Partitionierung anhand der Amplitude
vgl. Yuliang Gao; Lau, A. P T; Chao Lu; Jian Wu; Yan Li; Kun Xu; Wei Li;Jintong Lin, "Low-complexity two-stage carrier phase estimation for 16-QAMsystems using QPSK partitioning and maximum likelihood detection," OpticalFiber Communication Conference and Exposition (OFC/NFOEC), 2011 and theNational Fiber Optic Engineers Conference , vol., no., pp.1,3, 6-10 March 2011
Gruppe 1 (C1): QPSK (normiert)Gruppe 2 (C2): 8-PSK
Entscheidung
Viterbi-Vitberi
Maximum-Likelihood-Schätzung
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D. Clausen, ITG-Workshop 5.3.1 20.-21.2.2014
R=2
Clusterbasierte DetektionK-Means Algorithmus
1.Ordne N Symbole yj einem Mittelwert cj anhand euklidischer Distanz zu:
2. Berechne neue Mittelwerte cj anhandNj zugeordneter Symbole yj :
2
,
,
, wenn , min , , [1, ]10 andernfalls
i j i j
i j i ji j
d y c y c
d y c d y c j M
,1
1 N
j i i jij
c yN
,1
mit N
j i ji
N
• Initiiere M Mittelwerte cj (Start: QAM-Konstellation)• Trainiere mit R Iterationen für N Symbole
Detektion anhand neuerMittelwerte cj und Nächster-
Nachbar-Klassifikation
Beeinträchtigung: IQ-Ungleichheit
R=1
-10-Lehrstuhl für Nachrichten und ÜbertragungstechnikChristianAlbrechtsUniversität zu Kiel
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Experimentelle Ergebnisse20 GBaud - 200 km SSMF
1w=
5 2.52Mw K= = =
2 21Mw K= = =
EVM über Anzahl der Butterfly Entzerrerkoeffizienten für verschiedeneohne clusterbasierte Detektion
MK
OSNR 20 dB=
Systemparameter:
launch = 2 dBmP
Entzerrerkoeffizienten
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D. Clausen, ITG-Workshop 5.3.1 20.-21.2.2014
BER=10-3 (HD-FEC)
Experimentelle Ergebnisse20 GBaud - 200 km SSMF
EVM über verschiedene Fasereingangsleistungen (-2 bis 14 dBm) bei OSNR Werten von 15 bis 23 dB (ohne clusterbasierte Detektion)
Systemparameter:2.5w=
2 dBm
14 dBm
Entzerrerkoeffizienten: 30
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D. Clausen, ITG-Workshop 5.3.1 20.-21.2.2014
HD-FEC
HD-Super-FEC
Experimentelle Ergebnisse25 GBaud - 200 km SSMF
BER über Anzahl der Butterfly Entzerrerkoeffizienten mit und ohne clusterbasierter Detektion
Histogramm
CBD
OSNR = 25 dB
Systemparameter:
launch = 4 dBmP
= 2w
Entzerrerkoeffizienten
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D. Clausen, ITG-Workshop 5.3.1 20.-21.2.2014
HD-Super-FEC
HD-FEC
Experimentelle ErgebnissePolarisationsmultiplexing - 20 GBaud - 200 km SSMF
BER für DP-16QAM mit und ohne clusterbasierter Detektion
OSNR = 25 dB
Systemparameter:
launch = 4 dBmP= 2.5w
ohne CBD
mit CBD
K-Means Mittelwerte
Entzerrerkoeffizienten
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D. Clausen, ITG-Workshop 5.3.1 20.-21.2.2014
Fazit
Experimentelle Evaluation von folgenden Algorithmen zur digitalen Signalverarbeitung:
• Digitale Dispersionskompensation mit Frequenzbereichsentzerrung
• Non-Integer fractional 2x2 Butterfly FIR Entzerrung mit
• QPSK-Partitionierung mit Viterbi-Viterbi und ML-Phasenschätzung
• Clusterbasierte Detektion mittels K-Means Algorithmus
Experimentelle Ergebnisse:
• 16QAM über 200 km SSMF bei 100 Gbit/s (brutto) pro Wellenlänge
• DP-16QAM über 200 km SSMF bei 160 Gbit/s (brutto) pro Wellenlänge
max 2.5w =
Lehrstuhl für Nachrichten und ÜbertragungstechnikChristianAlbrechtsUniversität zu Kiel
Vielen Dank!
S SERADVAntage-NET
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