Implementación de OFDM óptico con algoritmos y arquitecturas hardware de baja complejidad

14 de Marzo de 2019
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
Valencia
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

• Introducción
• Objetivos
• Diseño e implementación del Rx y Tx OFDM
para comunicaciones ópticas
• Plataforma experimental
• Conclusiones y Publicaciones
• Trabajos Futuros
Índice
Tesis doctoral - Julián Bruno 2/67

Introducción (I)
Tesis doctoral - Julián Bruno
 PONs + DML + TDM + OOK
 Finales del siglo XX
 WDM o TWDM + dispositivos optoelectrónicos con
mayor BW
 Aumentar en dos ordenes de magnitud la tasa binaria
 ↑ BW ↑ dispersión y ↑ coste
 modulaciones de alto orden ↓ BW
 soluciones analógicas o digitales (DSP)
3/67

Introducción (II)
 PONs que combinen AN con MAN
 Simplifica el esquema de e2e
 ↓ coste
 ↑ ahorro de energía
 Tesis: ↑ bitrate + ↓ BW + ↓ coste + simplicidad
 Modulaciones de alto nivel
 Detección directa
 Dispositivos de bajo coste
 Decenas de kilómetros
4/67

Objetivos
 Utilización de OFDM con modulaciones de orden alto
 Búsqueda y evaluación de algoritmos de DSP paralelizables y de
baja complejidad hardware
 Simulador de sistema completo y de precisión finita
 Implementación hardware del Tx y Rx OFDM
 Recursos dedicados de la FPGA
 Mayor frecuencia de trabajo
 Controlado desde Matlab
 Evaluación experimental del sistema OOFDM
 Optimizar las prestaciones del módem OFDM
 Banco de pruebas para caracterizar los dispositivos
5/67

Sistema OFDM óptico
 OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) es un
sistema multiportadoras ortogonales y esa ortogonalidad
se obtiene utilizando la FFT
 Distorsiones del canal (EDC, CD y PMD)
 Simplicidad sistemas multibanda o multiusuario
6/67

Sistema OFDM óptico
 ↑ Fs
 ↑ bitrate
 ↑ coste conversores
 ↑ grado de
paralelización
 ↑Mk
 ↑ bitrate
 ↑ SE
 ↑ sensibilidad
 ↑N/Ncp
 ↑bitrate
 ↑SE
 ↑Nusc
 ↑bitrate
7/67

TX OFDM
 AWG (FPGA + DAC) y señal se genera con MATLAB
 Sin preénfasis
 Con clipping ↓ PAPR ↑ Rango dinámico
 256 muestras
 8 SSs de 32 muestras
 QPSK
TS ES Payload
8/67

TX OFDM
 Sin preénfasis
 1056 muestras
 4 LSs de 256 muestras
 1 GI de 32 muestras
 BPSK
TS ES Payload
9/67

TX OFDM
 Sin preénfasis
 N=1024, Ncp = 16
 Nusc ≈ N/2
 M-QAM
TS ES Payload
10/67

TX OFDM
 Sobremuestreo + preénfasis digital : mejora el SNR o EVM
 ↑ orden de modulación
 ↓ Fs efectiva ↓ bitrate
 ↑ planicidad
 ↑ coste
11/67

TX OFDM
Sin sobremuestreo y sin preénfasis
12/67

TX OFDM
Sin sobremuestreo y con preénfasis
13/67

RX OFDM
 ↑ ↑ paralelización y ↑ ↑ frecuencia de reloj
 Varios dominios de reloj
 RT DSP, EVM y BER off-line
 Modelo en Matlab
 funcional
 precisión finita
 Simulación
 señales reales
 sintetizadas
Conversor AD de alta
velocidad y bajo coste
10 bits @ 5 GS/s
4 muestras @ 1,25 GHz
FFT de gran tamaño
hasta 1024 puntos
14/67

RX OFDM
 Sincronizador basado en la correlación cruzada
 Alto coste computacional optimización
15/67

RX OFDM

RX OFDM
1º optimización
Se utiliza el signo del SS y
se eliminan los
multiplicadores
La longitud del SS es
pequeña y se reduce la
cantidad de sumadores
17/67

RX OFDM
2º optimización
Quantificar con un bit la
señal de entrada.
Esto reduce de manera
significativa el tamaño
de los sumadores
18/67

RX OFDM
3º optimización
α=0,5
Reemplaza los
multiplicadores por
rotaciones de bits
19/67

RX OFDM
4º optimización
Nss = 32
La salida actual del filtro
exponencial depende
únicamente de una versión
demorada de sí misma
20/67

RX OFDM
 Con multiplicadores
 Detección de máximos
 Mayor coste HW
 Sin multiplicadores
 Compuertas XNOR
 Menor coste HW
 Longitud del correlador elevada
N=256, Ncp=32 y Np=16
[98]:
4624 sumadores
4608 XNORs
2 Th
Propuesto:
512 sumadores
1 Th
21/67

RX OFDM
 [92] Autocorrelación / OFDM / inalámbricos
 [98] Xcorr / OFDM / óptico
 PCTD=1 para bajos valores de ROP
22/67

RX OFDM
 Arquitectura paralela
y segmentada
 Radix-4 y N=16, 64,
256 o 1024
 16 muestras en
paralelo
 Fclk=5GHz/16
 100% HUE
 Sin escalamiento
 Reordenamiento de
muestras I/O
 4 caminos de datos
independientes
Longitud fija
Longitud variable
23/67

RX OFDM
Butterfly radix-4
Twiddle factor
24/67

RX OFDM
 192 DSP48
 4 etapas
 4 mariposas por etapa
 3 mult. complejos por mariposa
 4 DSP48 por multiplicador complejo
25/67

RX OFDM

RX OFDM
 Reordenamiento de muestras inter etapas
R: base de la FFT
N: longitud de la FFT
K: número de etapa
27/67

RX OFDM
 Favorece a la segmentación
 Gestión del fanout de las señales de control de los MUXs
28/67

RX OFDM
 Estimador del canal
 Símbolos OFDM modulados con BPSK
 Promediado temporal + FFT
 Estimación en frecuencia
 Interpolación lineal
29/67

RX OFDM
 ↑ número de ls
 Mejor estimación mejor BER
 ↑ tamaño de preámbulo ↓ bitrate
 ↑ diezmado
 ↑ número Sc de baja frecuencia
(mejor EVM) mal estimadas
 ↑ coste HW
+ 2,5 x 10-3+ 2,5 x 10-3
30/67

RX OFDM
 Compensador del canal
 Compensación en frecuencia
 Inversión de la estimación del canal
 Optimización de la inversión
31/67

RX OFDM
Estimador de canal
32/67

RX OFDM
Estimador de canal
2 DSP48
33/67

RX OFDM
Estimador de canal
212 x 18 bits
34/67

RX OFDM
Estimador de canal
26 x 2 bits
35/67

RX OFDM
Estimador de canal
2 DSP48
36/67

RX OFDM
Estimador de canal
Desplazamiento de bits 16 BRAMs
26 x 36 bits
37/67

RX OFDM
Estimador de canal
s2.16
s2.16
s2.16
s1.9 s1.9
s6.9
u10.2
RND
u0.18
s6.9
RND
38/67

RX OFDM
Compensador de canal
s2.16
16 BRAMs
26 x 36 bits
s6.9
s6.19
4 DSP48
RND
RND
39/67

RX OFDM
 Calibración Analógica
 Calibración digital
 Alineamiento de bits
 Alineamiento de palabra
 Alineamiento de canal
 Entradas
 4 muestras de 10 bits:
40 pares LVDS de
datos
 4 relojes de 1,25 GHz:
4 pares LVDS
 Salidas
 16 muestras de 10 bits
 1 reloj de 312,5 MHz
40/67

Resultados de implementación (I)
 FFT
 50% LUTs y FFs
 100 BRAMs
para IOBR
 192 DSP48s
para CE
Receptor OFDM
Virtex-7 XC7VX485T-2
@ 312,5 MHz
Vivado v2016.3
41/67

 FFT
 50% LUTs y FFs
 100 BRAMs
para IOBR
 192 DSP48s
para CE
Receptor OFDM
@ 312,5 MHz
Vivado v2016.3
 TSA
 3% Slices
 0 BRAMs
 0 DSP48s
42/67

 FFT
 50% LUTs y FFs
 100 BRAMs
para IOBR
 192 DSP48s
para CE
Receptor OFDM
@ 312,5 MHz
Vivado v2016.3
 TSA
 3% Slices
 0 BRAMs
 0 DSP48s
 Ecualizador
 12% Slices
 24 BRAMs
 128 DSP48s
43/67

Resultados de implementación (II)
 [60] y [132]
 Frecuencia de reloj inferior (0,5)
 PPFFT de menor longitud (128)
 Propuesto
 FFT de longitud variable y mayor cantidad de
puntos
 50% menos de LUTs
 Cantidad de FFs semejantes
[60]
Virtex-7 @ 156,25 MHz
ADC EV10AQ190A
128-FFT
XCORR
M-QAM: 16, 64 y 256
[132]
Virtex-7 @ 156,25 MHz
ADC EV10AQ190A
128-FFT
XCORR
M-QAM: 4 y16
44/67

Plataforma Experimental
- Mayor atenuación
- Salida desadaptada
- Calibración analógica
- Ruido de reloj
- ↑ Respuesta HP
- ↑ ↑ ↑ Respuesta LP
Armónicos y espurios
dependientes de la
frecuencia
45/67

DAC
Cable corto
Cable largo
Sin corregir
Corregida
0 0.25 0.5 0.75 1 1.25 1.5 1.75 2 2.25 2.5
Frequency (GHz)
-45
-40
-35
-30
-25
-20
-15
-10
0 0.25 0.5 0.75 1 1.25 1.5 1.75 2 2.25 2.5
Frequency (GHz)
-45
-40
-35
-30
-25
-20
-15
-10
46/67

DAC
- 30 dBm
- 47 dBm
0 Hz 2,5 GHz 5 GHz0 Hz 2,5 GHz 5 GHz
47/67

Etapa electoóptica
- 2,5 dBm
48/67

ADC
0 0.25 0.5 0.75 1 1.25 1.5 1.75 2 2.25 2.5
Frequency (Hz) 109
-100
-90
-80
-70
-60
-50
-40
-30
-20
-10
0
F2
H2
F3
H1
Clock
Noise
F1
Fin
0 0.25 0.5 0.75 1 1.25 1.5 1.75 2 2.25 2.5
Frequency (Hz) 109
-100
-90
-80
-70
-60
-50
-40
-30
-20
-10
0
H1
H2
F3 H3
F1
H4
F2
Clock
Noise
Fin
- 52 dBm
- 44 dBm
49/67

 Señal
 Fs: 5 GS/s
 BW: 2432 MHz
 N: 1024 Ncp: 16
 +475 data Sc
 M-QAM
 DAC 12 bits 0 dBm SFDR
45-60 dBc
 ADC 10 bits 0 dBm
 LPF Fc: 2343 MHz
 EA: 3 GHz 27 dB SFDR 60
dBc
 Tx Rx Opt
 DML / InGaAs
 BW: 3 GHz
 3 dBm
50/67

 etapa electro-óptica
 ↑ ↑ pendiente de atenuación
 ↑ longitud de la fibra
 ↑ CD y ↑ efecto chirp del DML
 ↑ pendiente de atenuación
- 3 dBm
51/67

 Control de ganancia ADC
 ↑ longitud de la fibra ↓ ROP y ↑ CD
 ↓ EVM x Sc ↓ orden de modulación
 ↑ Frec ↓ EVM x Sc ↓ orden de modulación
 Umbrales M-QAM HD-FEC
 Bit loading, Power loading y BPL
52/67

Carga constante
 64-, 128- y 256-QAM satisfacen el
umbral de HD-FEC (7% 3,8x10-3)
 512-QAM satisface el umbral de SD-FEC
(20% 2,4x10-2)
 Si se considera la redundancia del
corrector
 256-QAM: 18,27 Gb/s 16,99 Gb/s
 512-QAM: 20,55 Gb/s 16,44 Gb/s
1024 FFT / 2349 MHz / 10 km
0 0.25 0.5 0.75 1 1.25 1.5 1.75 2 2.25 2.5
Frequency (GHz)
-45
-40
-35
-30
-25
-20
-15
-10
53/67

Carga variable
 Para 10 km
 18,27 Gb/s y 7,78 bit/s/Hz con carga fija
 20,37 Gb/s y 8,38 bit/s/Hz con carga variable 1024 FFT / 2432 MHz / 10 km
0 0.25 0.5 0.75 1 1.25 1.5 1.75 2 2.25 2.5
Frequency (GHz)
-45
-40
-35
-30
-25
-20
-15
-10
54/67

Comparación de sistemas
 IM/DD OOFDM
 Sin multiplexación (TDM o WDM)
 Grupo A: FPGA + DAC/ADC
 Grupo B: FPGA + DAC/ADC con sobremuestreo
 Grupo C: AWG y/o DSO con sobremuestreo
Real Time
55/67

 [60]: Sistema RT IM/DD OOFDM con la mayor tasa binaria
 5 GS/s – carga variable – 2150 MHz – 10,44 Gb/s – 4,85 bit/s/Hz
 [54], [55] y [63]: mayor tasa binaria pero no RT
56/67

 [60]: Sistema RT IM/DD OOFDM con la mayor tasa binaria
 5 GS/s – carga variable – 2150 MHz – 10,44 Gb/s – 4,85 bit/s/Hz
 Propuesto: duplica la tasa binaria y la eficiencia espectral
 5 Gs/s – carga variable – 2432 MHz – 19,63 Gb/s – 8,07 bit/s/Hz
57/67

 Propuesto: sistema RT sin sobremuestreo
 N/Ncp elevado y orden de modulación elevado
 [54]: sistema no RT con sobremuestreo.
 N/Ncp elevado y orden de modulación bajo
 N/Ncp bajo y orden de modulación elevado
> 10 Gb/s
Sobre 20 km
+ tasa binaria
+ eficiencia espectral
En versión RT tendrían
mayor coste HW
DFT-spread
Sobremuestreo
58/67

 Propuesto: sistema RT sin sobremuestreo
 BW= 97% Fn y orden de modulación elevado
 [58]: sistema RT con sobremuestreo.
 BW=50% Fn y orden de modulación muy elevado
 BW=78% Fn, orden de modulación muy elevado y SD-FEC
+ eficiencia espectral
- tasa binaria
> 7,5 bit/s/Hz
59/67

SCFO
 Fs Tx ≠ Fs Rx
 ISI
 Temporal
 Ventana FFT
 ↑ Nº símbolos
 Rotación de fase Sc
 Frecuencial
 TS o pilotos
 Ecualizador
 ICI
 Frecuencial
 Ortogonalidad
 Interferencia aleatoria
 ↑ N
Procesamiento off-line
Plataforma experimental
Transmisión de reloj
por fibra
60/67

Conclusiones (I)
 Sistema IM/DD OOFDM de bajo coste en tiempo real de
20,37 Gb/s y 8,38 bit/s/Hz sobre 10 km
 BW cercano a Fs/2
 Bit Loading
 Bitrate x2 y SE x2.
 TSA basado en XCORR
 Preámbulo conocido y repetitivo
 Gran reducción de coste computacional
 Excelentes prestaciones aún con baja SNR
61/67

Conclusiones (II)
 FFT de longitud variable de hasta 1024 puntos
 Hasta 10 GS/s
 ↑ eficiencia (throughput/área)
 Paralela y segmentada
 I/O en orden natural
 Estimador de canal en el dominio de la frecuencia
 Promediado temporal
 Interpolación lineal (N=1024)
 Sistema de generación y captura de señales
 Gran BW
 Integrado con Matlab
 Evaluación de algoritmos y modulaciones
62/67

Publicaciones en Revistas
 J. S. Bruno, V. Almenar, J. Valls y J. L. Corral, “Low-complexity
time synchronization algorithm for optical OFDM PON
system using a directly modulated DFB laser” IEEE/OSA
Journal of Optical Communications and Networking, vol. 7, no.
11, pp. 1025-1033, 1 November 2015.
 Julián S. Bruno, Vicenç Almenar, Javier Valls, y Juan L. Corral,
“Real-time 20.37 Gb/s optical OFDM receiver for PON IM/DD
systems” Opt. Express 26, 18817-18831 (2018).
 Julián S. Bruno, Vicenç Almenar y Javier Valls, “FPGA
implementation of a 10 GS/s variable-length FFT for OFDM-
based optical communication systems” Microprocessors and
Microsystems, vol. 64, pp. 195-204, February 2019.
63/67

Publicaciones en Congresos
 Internacionales
 M. Morant, J. S. Bruno, V. Almenar and R. Llorente, “Performance evaluation of
OFDM and SC-QAM backhaul provision on FTTH optical access networks
including multi-core fiber riser” Proc. SPIE 10945, Broadband Access Communication
Technologies XIII, 1094508 (4 February 2019).
 R. Llorente, M. Morant, J. S. Bruno, V. Almenar, J. L. Corral, J. M. Fuster, y J. Valls,
“Multidimensional Multiplexing in Multicore Fibre for Hybrid Optical Backhaul
provision: The XCORE approach” 20th International Conference on Transparent
Optical Networks (ICTON 2018).
 Nacionales
 Julián S. Bruno, Vicenç Almenar, Javier Valls y Juan L. Corral, “Algoritmo paralelo de
sincronización de tiempo para sistemas OFDM ópticos utilizando un dispositivo
FPGA Virtex-7” XV Jornadas de Computación Reconfigurable y Aplicaciones (JCRA
2015).
 Julián Santiago Bruno, Javier Valls Coquillat y Vicenç Almenar Terré, “Diseño e
Implementación de una FFT de alta velocidad para OFDM en comunicaciones
ópticas” XXIX Simposium Nacional de la Unión Científica Internacional de Radio (URSI
2014).
64/67

*
A
3DB
RBW 1 MHz
VBW 3 MHz
SWT 25 msAtt 5 dBRef -50 dBm
Center 2 GHz Span 4 GHz400 MHz/
1 PK
MAXH
-80
-75
-70
-65
-60
-55
-50
1
Marker 1 [T1 ]
-56.85 dBm
166.666666667 MHz
2
Delta 2 [T1 ]
-0.01 dB
1.991025641 GHz
Trabajos Futuros (I)
 Multi-banda
 DAC R2Z y/o mezclador
 Submuestreo (BW analógico)
Dos bandas (0-2GHz) (2-4GHz)
13 Gb/s 9 Gb/s
0 Hz 2 GHz 4 GHz
65/67

Trabajos Futuros (I)
Cuatro bandas (0-2GHz) (2-4GHz) (4-6GHz) (6-8GHz)
66/67

Trabajos Futuros (II)
 Moduladores ópticos
 Evaluar y comparar utilizando diferentes moduladores
ópticos (DML, EAM y MZM)
 Investigar a cerca de técnicas de DSP para compensar
las alinealidades y distorsiones
 SSB-OFDM
↑ distancia y ↑ BW ↑ CD ↓ prestaciones del sistema
 Modulación óptica de banda lateral única (SSB)
Interferencia de batido entre señales (SSBI)
Técnicas de DSP para ↓ SSBI
67/67

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