Low complexity digital signal processing techniques for coherent optical systems
| Autor: | Martins, Celestino Sanches |
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| Přispěvatelé: | Pinto, Armando Nolasco, Guiomar, Fernando Pedro Pereira |
| Jazyk: | angličtina |
| Rok vydání: | 2020 |
| Předmět: | |
| Zdroj: | Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal (RCAAP) instacron:RCAAP CIÊNCIAVITAE |
| Popis: | This thesis aims to investigate low-complexity digital signal processing techniques for coherent optical transmission systems targeting an efficient hardware implementation, in terms of chip area and power consumption. Novel and reduced complexity equalization techniques that compensate impairments such as fiber linear and nonlinear effects and laser phase noise are proposed in conjunction with the numerical assessment, experimental demonstration in offine and in real-time operation. Low-complexity digital equalization technique for chromatic dispersion (CD) based on a distributive architecture of time-domain (TD) FIR filter is experimentally assessed in a 100 Gb/s and 400 Gb/s transmission system. This technique is compared against the standard time- and frequency-domain CD equalizer revealing a significant reduction gain in terms implementation complexity, which is quantified in terms of number of real multiplications, real additions and processing latency. Additionally, the real-time operation of the proposed technique is demonstrated. Hardware efficient digital backpropagation (DBP) based on timedomain implementation of split-step Fourier method is proposed based on step-size randomization and partitioned quantization techniques to reduce the requirements of hardware implementation.The proposed technique is experimentally demonstrated over long-haul transmission, enabling penalty-free operation with very low number of bits for FIR filter coefficients when compared to the standard techniques. An increased maximum reach is achieved when compared with standalone chromatic dispersion equalization. Finally, a comprehensive study of the phase noise effect in a coherent optical transmission system is performed. A two-stage carrier phase estimation algorithm is explored and optimized to provide an efficient hardware implementation. The trade-off between performance and complexity is numerically assessed and the hardware implementation is conducted targeting an FPGA platform. The results indicate that the optimized algorithm is an attractive solution for an efficient hardware implementation of carrier phase recovery. A presente tese tem como objetivo investigar técnicas de processamento digital de sinal de baixa complexidade para sistemas óticos de transmissão coerente visando uma implementação eficiente em hardware, em termos da área do circuito integrado e do consumo energético. São propostas novas técnicas eficientes e de baixa complexidade para a compensação dos efeitos lineares e não lineares da fibra e do ruído de fase do laser. Estas técnicas são testados numericamente, demonstrados experimentalmente em tempo diferido e em tempo real. A técnica de equalização digital da dispersão cromática de baixa complexidade baseada na arquitetura distributiva do filtro FIR implementado no domínio do tempo é validada experimentalmente num sistema de transmissão a 100 Gb/s e 400 Gb/s. Esta técnica é comparada com o equalizador de dispersão cromática convencional implementado no domínio do tempo e no domínio da frequência, permitindo um ganho significativo em termos de complexidade de implementação, quantificado em termos de número de multiplicações reais, adições reais e latência de processamento. Além disso, a técnica proposta é validada por demonstração experimental em tempo real. A propagação digital inversa baseada no método de split-step Fourier implementado no domínio do tempo é proposta com base em técnicas de randomização e quantização particionada para reduzir os requisitos de implementação em hardware. A técnica proposta é demonstrada experimentalmente em sistemas de transmissão de longa distância, permitindo operar sem penalidade e reduzindo significativamente a precisão de bits dos coeficientes do filtro FIR quando comparado com técnicas convencionais. A aplicação destas técnicas permite ainda aumentar consideravelmente o alcance máximo do sistema face ao atingível apenas com equalização da dispersão cromática. Por fim, é realizado um estudo detalhado do efeito do ruído de fase em sistemas óticos de transmissão coerente. Um algoritmo para a estimação de fase da portadora em configuração de dois estágios é explorado e otimizado, de modo a obter uma implementação eficiente em hardware. O compromisso entre desempenho e complexidade é testado numericamente, e a implementação em hardware é realizada visando uma plataforma FPGA (field-programmable gate array). Os resultados obtidos indicam que o algoritmo optimizado proporciona uma implementação eficiente em hardware para a recuperação de fase da portadora. Programa Doutoral em Telecomunicações |
| Databáze: | OpenAIRE |
| Externí odkaz: |
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