Experimentelle Untersuchung kohärenter optischer 16QAM ... · Fiber Communication Conference and...

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



Gliederung

1. Experimenteller Aufbau2. Übersicht der Messungen3. Digitale Signalverarbeitung

Übersicht Empfänger-DSP 2x2 Butterfly FIR Entzerrung Trägerphasenrückgewinnung Clusterbasierte Detektion

4. Ergebnisse der Messungen5. Fazit



Experimenteller Aufbau:Vereinfachtes Blockschaltbild

PBC = Polarisations Beam CombinerPBS = Polarisations Beam Splitter

VOA = Variable Optical AttenuaterEDFA = Erbium Doped Fiber Amplifier



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)


o Zweifach polarisierte Übertragungen (DP-16QAM) über eine Wellenlänge (1552 nm)




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 =



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



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



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



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



BER=10-3 (HD-FEC)


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



HD-FEC

HD-Super-FEC


BER über Anzahl der Butterfly Entzerrerkoeffizienten mit und ohne clusterbasierter Detektion

Histogramm

CBD

OSNR = 25 dB

Systemparameter:

launch = 4 dBmP

= 2w




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




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!

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