Optisches OFDM Eine neue Technik für die optischen Datenübertragung Fred Buchali
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- Damian Böhme
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1 Optisches OFDM Eine neue Technik für die optischen Datenübertragung Fred Buchali Alcatel-Lucent, Bell Labs Germany, Stuttgart, Germany
2 Outline 2 Einleitung Grundlagen OFDM O-OFDM Systeme und deren Eigenschaften Realisierungsaspekte Zusammenfassung 2 OFC 08, OMU5 Month 2008
3 Einleitung 3 Typisches optisches Übertragungssystem INPUT OUTPUT Tx Binary data - Bitraten: 155 Mb/s 40 Gb/s - Bei 10 Gb/s mußte die chromatische Dispersion berücksichtigt werden, teilweise auch PMD - Bei 40 Gb/s muß die chromatische Dispersion nach Anwendung von Kompensationsfasern berücksichtigt werden, sowie PMD in weiteren Anwendungen - Verzerrungen (CD und PMD) begrenzen Einsetzbarkeit von Systemen höherer Symbolrate - Spektrale Effizienz erlaubt keine weitere Erhöhung der Bitrate im 50 GHz Raster - Empfindlichkeit der Systeme muß stetig verbessert werden Rx 3 OFC 08, OMU5 Month 2008
4 Einleitung 4 - Bitraten über 40 Gb/s sind nachgefragt, 100 Gb/s ist nächste Stufe - Derzeit in Diskussion: - DQPSK bei 50 Gbaud - Kohärentes QPSK - Kohärentes O-OFDM - Kohärente Systeme ermöglichen die Übertragung der gesamten Feldinformation in die elektrische Ebene - Dabei wird erstmal massiv DSP in physikalischer Ebene eingesetzt, es sind ADCs (und DACs) erforderlich - PMD und CD können dann vollständig elektrisch kompensiert werden - System- und Implementierungsaspekte von kohärentem O-OFDM sind weniger umfassend untersucht 4 OFC 08, OMU5 Month 2008
5 5 Grundlagen von optischem OFDM 5 OFC 08, OMU5 Month 2008
6 Prinzip von OFDM: Vergleich zwischen Einzelträger und Mehrträgerverfahren (1) - Einzelträgerverfahren: - Einzelnes Trägerband welches die gesamte Kanalbandbreite belegt - Serielle Übertragung der Daten - Störanfällig für Intersymbolinterferenz frequency T sc Transmitted symbol 6 bandwidth time 6 OFC 08, OMU5 Month 2008
7 Prinzip von OFDM: Vergleich zwischen Einzelträger und Mehrträgerverfahren (2) - Mehrträgerverfahren: - Aufteilung der Kanalbandbreite in Unterkanäle - Serieller Datenstrom wird parallelisiert und auf Unterkanäle aufgeteilt - beliebiges Modulationsverfahren für jeden Unterkanal - Symboldauer verlängert sich um Faktor N C gegenüber Einzelträgerverfahren weniger anfällig für Störung durch ISI frequency Transmitted symbol N C xt sc 7 bandwidth f=b/n C 7 OFC 08, OMU5 Month 2008 time
8 Prinzip von OFDM: Frequency Division Multiplexing - Schutzbänder zwischen den einzelnen Kanälen nötig - zur Vermeidung von Kanalübersprechen (Inter Channel Interference, ICI) - zur Rückgewinnung der Kanäle mittels Filtern Dadurch schlechte Bandbreiteneffizienz Abhilfe: Orthogonal Frequency Division Multiplexing 8 8 OFC 08, OMU5 Month 2008
9 Prinzip von OFDM - Mehrträgerverfahren: - OFDM Unterträgerbänder überlappen n x f S k... n -1 n N C all zero frequency f 1 f 2 f k f n 9 OFC 08, OMU5 Month 2008
10 Prinzip von OFDM OFDM modulator/multiplexer C n,0... e 0 jω t Σ s(t) 10 C n,n-1 jωn 1t e OFDM demodulator/demultiplexer s(t) ( )dt C n,0 0 e jω t jωn 1t e Basic requirement: use of orthogonal basefunctions T S ( )dt C n,n-1 T S T s T s OFC 08, OMU5 Month 2008
11 OFDM: Sender und Empfänger targeted function is relialized by DFT 11 S/P coder Zeros Re ifft P/S DAC Im DAC Re ADC S/P FFT Im ADC decoder Zeros P/S OFDM signals are in general complex valued 11 OFC 08, OMU5 Month 2008
12 Prinzip von OFDM: Guard Interval - Zyklische Erweiterung des OFDM-Signals - Im Empfangsfenster muß immer volständige Peride jedes Unterträgers vorhanden sein - Erweiterung reduziert Nettodatenrate OFC 08, OMU5 Month 2008
13 Prinzip von OFDM: Subcarrier modulation 13 S/P coder Zeros ifft Re P/S DAC Im DAC QPSK is efficient scheme for high sensitivity 13 OFC 08, OMU5 Month 2008
14 Subcarrier modulation Investigated schemes QPSK 2 bit per subcarrier 10 Gb/s QAM16 4 bit per subcarrier 20 Gb/s QAM64 6 bit per subcarrier 30 Gb/s Increase of number of bit per subcarrier leads to drastic decrease of distance between adjacent states in the constellation 14 Reduction of SNR -6.9 db db Conv. schemes, e.g. NRZ -3 db -4.8 db 14 OFC 08, OMU5 Month 2008
15 Subcarrier modulation Comparison of subcarrier modulation schemes 15 QPSK QAM16 QAM64 Data rate [Gb/s] Req. 1E-3 [db] Sensitivity below 10Gb/s [db] Comp. to NRZ [db] Red. In sensitivity [db] vs. QPSK Spectral efficiency [bit/hz] Makes higher level subcarrier modulation sence? 15 OFC 08, OMU5 Month 2008
16 O-OFDM transmitter 16 real Electr. OFDM signal IQ-MOD e/o MOD Optical OFDM signal imag real Electr. OFDM signal imag IQ e/o MOD optical OFDM signal 16 OFC 08, OMU5 Month 2008
17 O-OFDM receivers real 17 Direct detection optical OFDM signal [ ] 2 IQ-DEM imag Electr. OFDM signal real Coherent optical OFDM signal LO [ ] 2 IQ-DEM imag Electr. OFDM signal optical OFDM signal LO 90 opt. hybrid [ ] 2 [ ] 2 real imag Electr. OFDM signal 17 OFC 08, OMU5 Month 2008
18 O-OFDM spectra amplitude 18 Electrical base band signal frequency I and Q component Optical signal Res. optical carrier λ O frequency/ wavelength nahezu rechteckige Spektren Electrical base band signal amplitude frequency I and Q component 18 OFC 08, OMU5 Month 2008
19 O-OFDM Systeme und deren Eigenschaften OFC 08, OMU5 Month 2008
20 Scaling OFDM towards higher bitrates first estimation Optical channel Data rate Subcarrier modulation Optical bandwidth Spectral efficiency 10G QPSK < 8 GHz 1.4 bit/hz 20G QAM16 < 8 GHz 2.8 bit/hz 40G QAM16 < 16 GHz 2.8 bit/hz 50G QAM16 < 20 GHz 2.8 bit/hz PM 2x50G=100G QAM16 (2x) < 20 GHz 5.6 bit/hz 50G QPSK < 40 GHz 1.4 bit/hz PM 2x50G=100G QPSK (2x) < 40 GHz 2.8 bit/hz CO-OFDM transmitter (similar for receiver) Data rate Subcarrier modulation DAC/ADC rate DAC/ADC bandw. Resol. 10G QPSK 10GSa/s < 4 GHz 6 bit 20G QAM16 10GSa/s < 4 GHz 8 bit 40G QAM16 20GSa/s < 8 GHz 8 bit 50G QAM16 25GSa/s < 10 GHz 8 bit PM 2x50G=100G QAM16 (2x) 25GSa/s < 10 GHz 8 bit 50G QPSK 50GSa/s < 20 GHz 6 bit PM 2x50G=100G QPSK (2x) 50GSa/s < 20 GHz 6 bit 20 req. OSNR [db] (*) (*) BER 10-3 Interconnect 2x60Gb/s 2x80Gb/s 2x160Gb/s 2x200Gb/s 4x200Gb/s 2x300Gb/s 4x300Gb/s 20 OFC 08, OMU5 Month 2008
21 +100Gb/s OFDM scenario Optical Comb Generator Cyclic DeMux 100G PDM O-OFDM e.g. 1TbE P (db) Experimental result 9x12.5Gb/s in 7.5GHz spacing 113 Gb/s in 67GHz bandwidth e.g. 1TbE Coherent mixer 4 PDs each 12.5Gb/s 37.5Gb/s ADC DSP 113Gb/s 5x80km SMF 21 N x Δλ f N x 100G Optical Local Comb Oscillator Tx Wavelength(nm) Rx multiplexing of OFDM sub bands spectral shaping of sub bands is suitable for narrow wavelength spacing demux of sub bands using comb lines aligned to each sub band high capacity scenario without WDM grid highest spectral efficiencies achievable w/o. WDM grid (e.g. 1.7 b/s/hz for 9x12.5 Gb/s) -35 N x 100G OFC 08, OMU5 Month 2008
22 Setup of 113Gb/s OFDM-System Offline Data rate Subcarrier modulation Sampling rate Req. bandwidth Req. resolution 7.46GHz GHz LD MZM1 MZM2 Comb Generator (9 lines) 22 Data Zeros Pilots S/P Mapping IFFT P/S Cyclic Extension TS Insertion Scaling & Quantization real imag D/A D/A Optical Link I/Q OFDM Modulation 12.57Gb/s Booster 5x80km SMF DCF free SMF Q-, BERestimation Errorcount Decision Channel compensation FFT CPPF-Remove Downconversion Synchronisation A/D A/D B-PD B-PD 90 - Hybrid optical LO Preamp Back-2-Back 5Spans Experimental parameter: Tx: 10 GS/s (3.5GHz bw) 8bit; RX: 20GS/s (6GHz bw) 10bit interp. OFDM: 512-FFT, 342 subcarriers, 4-PSK, 3.2ns CPPF Total bitrate 9 x 12.57Gb/s = Gb/s in 67GHz (1.68bit/s/Hz) P a.u Lambda(nm) 22 OFC 08, OMU5 Month 2008
23 System performance: Back-2-Back Increase of datarate x9 => 9.5dB penalty (= 10 log 9) dB 12.5Gb/s B-2-B 113Gb/s- B-2-B -4 log(ber) OSNR/0.1nm [db] 23 OFC 08, OMU5 Month 2008
24 Measurement of Non-linear-threshold Transmission over 5 Spans 80km SMF Gb/s- 5Spans 12.4Gb/s- (2)+3Spans 12.4Gb/s- (4)+1Spans 113Gb/s- 5Spans 113Gb/s- (2)+3Spans 113Gb/s- (4)+1Spans -2-2 log(ber) -3 log(ber) P_launched P_launched 12.4Gb/s NLT 1Span: 4dBm 113Gb/s NLT 1Span 8.5dBm 24 OFC 08, OMU5 Month 2008
25 Signalcharakteristik von OFDM-Signalen: Signal to Average Ratio -Hohe Peakwerte sind problematisch - Nichtlineare Effekte sind leistungsabhängig - Signalverfälschung -Charakterisierung von Peaks bzw. SAR and PAR - Amplitude des Peaks wird auf mittlere Amplitude des Signals normiert - i.d.r. Angabe in db 25 SAR( t 1 ) = 20 log s( t 1 ) s( t) 25 OFC 08, OMU5 Month 2008
26 Investigation of signal power distribution Description of optical signal PAPR: Ratio of max. power to average but: density of peak values not regarded CCDF: Complementary Cumulative Distribution Function Probability for power (amplitude) exceeds given value 26 1E+00 1E+00 1E-01 1E-01 CCDF 1E-02 1E-03 1E-04 PRBS7 PRBS11 PRBS15 CCDF 1E-02 1E-03 Multi span systems 80km SMF per span 1E-05 FFT E-04 1E *log(SAR) [db] 1E *log(SAR) [db] OFDM has statistical distribution of signal amplitudes already at Tx Statistics is not influenced by CD Similar distributions are present in conventional transmission systems w/o. DCF (fiber acts as Fourier transformer) 26 OFC 08, OMU5 Month 2008
27 Transmission on SSMF Comparison of 10 Gb/s with a 50 Gb/s scenario Evaluation of peak values from span to span 27 Amplitude a.u G t=149.5 ns 50G t=20.82 ns 50G t=27.6 ns Number of 80km Spans 10G: dispersion is low wrt. bandwidth consumption peaks survive over several spans same peaks meet nonlinear degradation after optical amplification 50G: peak values arise and vanish from span to span different peaks meet nonlinear degradation after optical amplification In 16 span simulations: NLT rises from 11 to 16 dbm integrated power while increasing the bit rate from 10 to 50 Gb/s OFDM has high and competitive nonlinear tolerances in high bit rate systems without DCMs 27 OFC 08, OMU5 Month 2008
28 Power budget - nonlinear threshold Investigation of power budget Maximum launch power Maximum link attenuation Preamp noise figure Receiver sensitivity 28 Tx Rx P launch ATT NF Sens. OSNR at the receiver is given by OSNR = P ATT NF launch + 58 db To achieve high OSNR highest P launch is required, which is limited by nonlinear effects 28 OFC 08, OMU5 Month 2008
29 Nonlinear thresholds Nonlinear threshold [dbm] spans 2048 FFT 1 span 2048 FFT 2.1 db NLT improvement 2 times bitrate 5.6 times bitrate Bitrate [Gb/s] High nonlinear thresholds support OFDM at highest data rates 29 OFC 08, OMU5 Month 2008
30 Realisierungsaspekte OFC 08, OMU5 Month 2008
31 Realization aspects 31 Investigation of DSP, ADC and DAC for 100Gb/s 50 GSa/s components are required Interface rate beyond 1Tb/s due to high interface rates integrated converter DSP chips are first choice Investigation of DSP complexity 31 OFC 08, OMU5 Month 2008
32 Setup of 113Gb/s OFDM-System 32 DSP: Tx IFFT DSP: Rx synchronization - Frequency offset compensation -FFT - channel equalization - polarization demux 32 OFC 08, OMU5 Month 2008
33 CMOS building blocks Investigation of CMOS building blocks 33 CMOS S&H as key element for ADCs ACS unit as key element for VE Testchip realized in 90nm CMOS Flip-Flop Flip-Flop-IP Comparator Comparator active Peak. Sample & Hold Circuit A C S U 33 OFC 08, OMU5 Month 2008
34 Equalizer building blocks: test of S&H resolution Marker Delta f delta =230 MHz P delta = 28dB 34 P delta freq Data =19.9 GHz P Data = 5 dbm freq clk = 20 GHz Amp clk = 1.2Vpp The corresponding ENOB SINAD 1.76dB = 6.02 = 4.36 bits Beat frequency test: 4.36 bit resolution BER 10 GHz: 4.0 bit resolution 90nm CMOS is suitable for low resolution 40 GSa/s ADCs 34 OFC 08, OMU5 Month 2008
35 Feasibility-check for real time system No dedicated DSPs for O-OFDM available today Real time systems should base on FPGAs with subsequent DACs or ADCs 35 Assuming DAC with 10 GSa/s, 6 bit resolution (faster DACs are available) 6x10Gb/s 12x5Gb/s DAC 10GSa/s 6 bit res. FPGA 6x10Gb/s 12x5Gb/s DAC 10GSa/s 6 bit res. FPGAs (e.g. Xilinx) have high speed interconnects with <10 Gb/s rate, 5 Gb/s rate is highest alternative: 24 interconnects are required for setup Highest complex FPGAs have 24 high speed interconnects Today no significant increase for base data rates beyond 10Gb/s possible 35 OFC 08, OMU5 Month 2008
36 Feasibility-check for real time system OFDM Tx implementation in FPGA Data rate 10 Gb/s, QPSK modulation Input word length: 6 bit FFT is highest complexity block in Tx Radix-8 assumed as an efficient realization Radix-8 FFT 36 Utilization of FPGA resources for 512-FFT FPGA type for investigations: XCE4VFX140 Flip Flops: 8 % LUTs: 68%!! Conclusions Implementation of OFDM Tx for 10 Gb/s using FPGA is feasible Increase of data rate or FFT size is limited by FPGA in logic resources interconnection resources to ADC and DAC 36 OFC 08, OMU5 Month 2008
37 Potential hardware implementation: FFT FFT implementation 37 FFT is highest effort block within algorithm Butterfly is most important sub-structure Loading of data into a parallel structure 50GSa, FFT256: 200 MHz processing in a pipelined FFT, 50 FFT1024 Very suitable for subrate processing, further parallelization or pipelining possible Structure is same as proposed for frequency domain CD compensation for coh. QPSK, but for whole data stream required (complexity roughly times 4) 37 OFC 08, OMU5 Month 2008
38 Potential hardware implementation: FFT FFT implementation 38 Each butterfly consists of 1 complex mul and 2 add Number of stages FFT256, FFT1024 Number of butterflys FFT256, FFT1024 In sum 4x4.7Mgates = 19 Mgates are required, but distributed to Tx and Rx (half each) 38 OFC 08, OMU5 Month 2008
39 DSP complexity comparison 1: FFT FFT complexity Small relative increase in hardware with FFT increase OFDM: processing of reduced number of samples Comp. To QPSK: overlap requires higher number of samples, FFT is more complex (bases on Carlos inputs) number of butterflies absolute relative Coh. QPSK overlap 256 OFDM 20% CPPF Coh. QPSK overlap number of butterflies per input 33% reduced FFT size 39 OFC 08, OMU5 Month 2008
40 Potential hardware implementation: Channel equalization 40 Time Frequency Domain Interpolation.. Reference Symbol Pilot Subc. Data Subc... Time Domain Averagingn N sc +N PSC Frequency Application of pilot signals within the OFDM signal 40 OFC 08, OMU5 Month 2008
41 Potential hardware implementation: LO offset estimation and correction Coherent RX with LO freq. offset + phase noise Estimation + Compensation of LO offset 41 T CP FFT Y k Equ. e j( 2π f t+ φ ( t)) j2πf kt off e est channel est. freq. offset est. LO offset correction is a simple complex multiplication of time domain samples 41 OFC 08, OMU5 Month 2008
42 Potential hardware implementation: Channel equalization 42 T c N, received c N, equalized a N 42 OFC 08, OMU5 Month 2008
43 Potential hardware implementation: Channel equalization 43 Mathmatical operations for OFDM are very simple and very few Adaptation of system is performed by pilot signals and pilot subcarriers, no blind adaptation required 43 OFC 08, OMU5 Month 2008
44 Comparison QPSK - OFDM ECOC 2008, We2E4, B. Spinnler, Adaptive equalizer complexity in coherent optical receivers 44 Similar/comparable approaches for QPSK and OFDM Time domain processing is more complex QPSK: full frequency domain processing challenging monitor channel advantageous for adaptation In sum: OFDM has half complexity 44 OFC 08, OMU5 Month 2008
45 Schlußfolgerung 45 O-OFDM untersucht Definition von Szenarios für 100 Gb/s Systeme Diese haben eine gute Empfindlichkeit und hohe nichtlineare Schwellen, sodass das OSNR Budget ein flexibles Systemdesign erlaubt Erfordert 50 GSa/s DACs und ADCs, Testchips lieferten ermutigende Ergebnisse Erfordert DSP in Tx und Rx, Gesamtaufwand ist vergleichsweise gering O-OFDM ist attraktive Technik für optische Systeme bei höheren Datenraten. 45 OFC 08, OMU5 Month 2008
46 OFC 08, OMU5 Month 2008
47 Figure 10: Schematic of a 112-Gb/s PDM-OFDM transceiver architecture. PMDC: PMD compensation. EDC: electronic dispersion compensation. PA-CPEC: pilot-assisted common phase error compensation. DAC: digital-to-analog converter. ADC: analog-to-digital converter OFC 08, OMU5 Month 2008
48 OFDM signal characteristic Frequency domain QPSK modulated subcarriers (128 subcarriers) All have same power Information is coded in phase amplitude [a.u.] frequency 150[a.u.] Time domain no constant amplitude (envelope) critical data pattern leading to high signal peak power (PRBS7 and all 0 ) probability of amplitudes depend on FFT length and data pattern (e.g. PRBS length) amplitude [a.u.] very high peak values may occur PRBS7 all time [a.u.] 48 OFC 08, OMU5 Month 2008
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