Esta presentación se centra en la implementación de un sistema en tiempo real de comunicaciones óptico basado en modulación por intensidad y detección directa (IMDD) sobre fibra óptica mono modo (SSMF). Impulsado por el rápido avance de la tecnología de semiconductores, dispositivos de lógica programable (FPGAs), ADCs y DACs de alta velocidad (Gs/s) se han adoptado cada vez más para el procesamiento de digital de señales en las comunicaciones ópticas. Con estos dispositivos es posible implementar sistemas en tiempo real de muy alta velocidad, decenas de Gb/s, y probar técnicas de procesamiento digital para aumentar la tasa de datos.
Comenzaremos con una breve introducción a lo qué es un sistema OFDM óptico y cuáles son sus desafíos y especificaciones. A continuación enumeraremos los bloques necesarios para la implementación de un transmisor y receptor OFDM óptico y haremos una breve descripción de sus funciones y problemas de implementación debido a la alta velocidad y el grado de paralelismo necesario para afrontar la alta tasa de datos.
Por último, se presentarán los resultados obtenidos para diferentes longitudes de fibra óptica, comentaremos algunos inconvenientes del mundo real y expondremos las futuras líneas de trabajo.
Algoritmos y arquitecturas hardware para la implementación de OFDM en sistemas de comunicaciones ópticos utilizando FPGAs
1. 28 de Junio de 2017
Universidad Tecnológica Nacional, Facultad Regional Buenos Aires
Laboratorio de Procesamiento Digital (DPLab)
Buenos Aires, Argentina
Universidad Politécnica de Valencia
Laboratorio de Comunicaciones Digitales (DiComLab)
Gandia, España
Buenos Aires
jbruno@frba.utn.edu.ar
Autor: Julián Santiago Bruno
Directores: Javier Valls Coquillat y Vicenç Almenar Terré
Algoritmos y arquitecturas hardware para la
implementación de OFDM en sistemas de
comunicaciones ópticos utilizando FPGAs
2. • Introducción a OFDM
• Sistema OFDM óptico
• ADC de alta velocidad
• ADC interface
• Symbol Sync
• FFT
• Estimación de canal
• Demapper
• Resultados
• Conclusiones
• Trabajos Futuros
Índice
2JSB
3. Introducción a OFDM
En sistemas de comunicaciones ópticas se está investigando en
utilizar modulación OFDM (Orthogonal Frequency Division
Multiplexing) ya que permite compensar las distorsiones del
canal (EDC, CD y PMD) fácilmente.
Multi Gbps.
1 o varios ADCs
y DACs.
Subportadoras
ortogonales.
Detección
ventana FFT.
3JSB
4. Introducción a OFDM
4
OFDM es un esquema de modulación multiportadora
donde todas las portadoras se transmiten simultáneamente.
La superposición de la subportadoras moduladas se logra
mediante la Transformada Discreta de Fourier Inversa
(IDFT).
JSB
5. Introducción a OFDM
5
Para eliminar la
interferencia
inter símbolo
(ISI) y la
interferencia
inter portadora
(ICI) se utiliza un
prefijo cíclico.JSB
6. Introducción a OFDM
6
Para detectar el
comienzo temporal
del símbolo OFDM
se utilizan símbolos
de referencia.
Para compensar
las variaciones de
amplitud y fase
del canal se
utilizan
subportadoras
pilotos.
JSB
7. Introducción a OFDM
7
Incrementando el ancho de banda
Utilizando para portadoras con bajo SNR modulaciones de bajo orden en lugar de
apagarlas.
Aumentando la tasa de muestreo.
Limitación en los conversores AD/DA comerciales
Frecuencia máxima de trabajo de la FPGAs
Respuesta en frecuencia de los elementos analógicos (amplificadores, filtros, etc)
Aumentando la eficiencia espectral (bit/s/Hz)
Seleccionando la portadoras con mejor SNR y utilizando altos índices de modulación
subutilizando la tasa de muestreo disponible.
Disminuyendo el tamaño del prefijo cíclico (Ncp) y del símbolo de referencia.
¿Cómo se pueden mejorar las prestaciones de un
sistema OFDM?
𝑇𝑠𝑦𝑚𝑏 = (𝑁𝑐𝑝 + 𝑁𝑠𝑐)/𝐹𝑠 𝐵𝑖𝑡𝑟𝑎𝑡𝑒 = (𝑁 𝑢𝑠𝑐× 𝑏 𝑚𝑜𝑑)/ 𝑇𝑠𝑦𝑚𝑏
JSB
9. ADC
9
E2V EV10AQ190A
QUAD 10-bit 1.25
Gsps ADC
Analog Calibration
Gain Control
Offset Control
Phase Control
Digital Calibration
Test Modes (Ramp,
Flashing)
JSB
11. Sync.: Propuesta
11
Preámbulo repetitivo (WLAN IEEE 802.11 a/g)
Robustez frente a
variaciones de amplitud
(CAG).
Estimación de offset de
frecuencia de portadora.
Estimación de canal.
Basado en la correlación cruzada
Alta carga
computacional
JSB
12. Sync.: Propuesta
12
Preámbulo repetitivo (WLAN IEEE 802.11 a/g)
Robustez frente a
variaciones de amplitud
(CAG).
Estimación de offset de
frecuencia de portadora.
Estimación de canal.
Basado en la correlación cruzada
Alta carga
computacional
JSB
13. Utilizar el signo del símbolo corto (SS) para evitar los multiplicadores [Canet
2012]
Árbol de sumadores cableado
SS = {+1, +1, +1, +1, +1, −1, −1, +1, +1, +1, +1, −1, −1, −1, −1, −1,
−1, −1, −1, −1, −1, −1, +1,+1, +1, −1, −1, −1, +1, −1, −1, −1}
Elección del tamaño de SS (Nss)
Elección del valor α para evitar multiplicadores
Sync.: Optimización
JSB 13
14. Sync.: Análisis prec. finita
JSB 14
Métrica para medir
prestaciones
b = log2(Nss)-1
c = b
a: paramétro de ajuste
SNR = 3,6 dB para BER de 10-2 con QPSK
Sin errores con 20% redundancia para soft decision y con
7% redundancia para hard decision
Para Nss = 32, a=1 , b=6 y c=6
15. Sync.: Implementación
15
FPGA Virtex-7 XC7VX485T-2.
Número de Slice Registers = 1.690
Número de Slice LUTs = 1.773
Frecuencia máxima de operación de 464.253 MHz
Tasa de muestreo de hasta 7,4 Gs/sJSB
17. FFT radix-4 DIF
17
Se particiona la sumatoria de la FFT en
4 partes
Entradas en orden normal
Salidas en orden de inversión de dígito
Número de etapas: log4(𝑁)
Mariposas por etapa: 𝑁/4
Dependencia del EC_x_y con 4 ECs
anteriores
4 tipos de arquitecturas
Mariposa radix-4 o Dragonfly
12 sumas complejas
3 multiplicaciones complejas
8 multiplicaciones triviales ( j, –j, -1)
JSB
18. FFT tamaño fijo: Diseño
18
N=1024 y 16 entradas
y salidas.
Parametrización rápida
y sencilla.
Generación de factores
de rotación
independientes por
camino de datos.
Segmentación interna.
Compensación de
retardos de las señales
de datos y control.
Librería de módulos
parametrizables con
System Generator.
Autogeneración de
diagramas Simulink.
JSB
20. Estimación del canal
20
Se transmite un símbolo (CL) de de 256 portadoras moduladas en
BPSK ({-1, 0, +1}) repetido 16 veces.
Se promedian en el tiempo los 16 símbolos recibidos y se calcula
el espectro (Cx).
Cx* es el conjugado de Cx y no es más que una inversión de
signo. El producto de este con CL no es más que otro cambio de
signo
CL es conocido y se almacena en una ROM.
La inversa de la energía de Cx se calcula mediante una ROM.
Una vez obtenida la inversa del canal se realiza un upsampling
x4 y una interpolación lineal, obteniendo así un de 1024.
La respuesta inversa del canal se almacena en una RAM.JSB
26. Sistema OOFDM: Resultados
26
Canal BER
OB2B 1.3 x10-3
10 km 1.3 x10-3
20 km 2.5 x10-3
40 km 1.55x10-2
Bitrate = 18.68 Gb/s
SE = 7.823 bit/s/Hz
BW = 2.388 GHz
OFDM
Nsc=1024
Nusc=490
Ncp=16
M-QAM
Fs=5 Gsps
JSB
27. Conclusiones
27
Se obtuvo un sistema OFDM óptico en tiempo real que
puede trabajar a un tasa de muestreo de 5 Gsps y que
puede servir como banco de pruebas para diferentes
modulaciones y canales ópticos.
Utilizando correctores de errores (FEC) se puede reducir la
tasa de errores hasta 1x10-15.
Hard Decision: 3,8 x10-3 7% overhead
Soft Decision: 2,4 x10-2 20% overhead
Con estos umbrales se podrían utilizar índices de modulación más
altos o aumentar la distancia de la fibra.
Las tasas binarias y la eficiencia espectral obtenidas es
superior a la de los trabajos publicados desde 2014
hasta la actualidad. Los recursos hardware requeridos son
levemente inferiores.
JSB
29. Trabajos Futuros
29
DFT Spread
JSB
VLC-OFDM
R. Deng et al., "A Serial IFFT Precoding Scheme to Mitigate the
Periodic Noise in OFDM System," in IEEE Communications Letters,
vol. 20, no. 7, pp. 1301-1304, July 2016.
30. Trabajos Futuros
30
Multi bandas
TX: Ventanas de Nyquist 1, 2 y 3. DAC con R2Z
RX: Filtro (2 GHz) + Track & Hold (4 Gsps 18 GHz) + ADC (4 Gsps)
JSB