BR102013004639B1

BR102013004639B1 - Método para estimar a dispersão cromática em sistemas de comunicações ópticas coerentes

Info

Publication number: BR102013004639B1
Application number: BR102013004639-6A
Authority: BR
Inventors: Júlio César Medeiros Diniz; Stenio Magalhães Ranzini; Eduardo Cavalcanti Magalhães; Vitor Bedotti Ribeiro
Original assignee: Fundacao Cpqd - Centro De Pesquisa E Desenvolvimento Em Telecomunicacoes
Priority date: 2013-02-27
Filing date: 2013-02-27
Publication date: 2022-02-08
Also published as: BR102013004639A2

Abstract

método para estimar a dispersão cromática em sistemas de comunicações ópticas coerentes, dispensando a utilização de sequências de treinamento, compreendendo a estimação da cd com base no detector de erros de temporização de gardner (3, 12, 13, 14, 15). a estimação da cd compreende uma varredura em pequenos passos dos valores desejados de cd, através de um controlador (22) sendo que, em cada passo é calculada função de custo (20) e determinado seu valor mínimo (21), obtendo-se o valor de cd total estimado, correspondente ao mínimo da variância dos valores fornecidos pelo dito recuperador de temporização de gardner.

Description

Campo da Técnica

A presente invenção se aplica ao campo da Engenharia de Telecomunicações, especificamente às comunicações por fibra óptica, mais particularmente refere-se a um método para estimar a dispersão cromática em um sistema de comunicações ópticas coerentes.

Para um melhor entendimento deste relatório 10 descritivo, apresentam-se a seguir algumas siglas, expressões e termos utilizados no mesmo:

ACSPW - Auto-correlação da potência da forma de onda do sinal (Auto-Correlation of Signal Power Waveform). ASIC - Circuito integrado de aplicação específica 15 (Application Specific Integrated Circuit). BER - Taxa de Erro de Bits (Bit Error Rate). CD - Dispersão Cromática (Chromatic Dispersion) . CMA - Algoritmo de Módulo Constante (Constant Modulus Algorithm) . DSP - Processamento digital de sinais (Digital Signal Processing) .

DTSE - Estimador com linha de atraso amostrada (Delay-tap Sampling Estimator). DWDM - Muitipiexação "pór divisão de comprimento de 25 onda densa (Dense Wavelength Division Multiplexing). EDFA - Amplificador a Fibra Dopada com Érbio (Erbium Doped Fiber Amplifier) .

FDCDE - Estimador de dispersão cromática no domínio da frequência (Frequency Domain Chromatic Dispersion 30 Estimation). FDE - Equalizador no domínio da frequência (Frequency Domain Equalizer).

FEC - Correção de erro adiante (Forward Error Correction). FFT - Transformada Rápida de Fourier (Fast Fourier Transform). GTED - Detector de erros de temporização de Gardner (Gardner Time Error Detector).

NCO - Oscilador controlado numericamente (Numerically Controlled Oscillator). OSNR - Relação Sinal-Ruído Óptica (Optical System Noise Ratio). PM - Multiplexação em Polarização (Polarization- Multiplexed) . PMD - Dispersão de modos de polarização (Polarization Mode Dispersion).

PM-QPSK - Chaveamento de quadrifase em dupla polarização (Dual Polarization - Quadriphase Shift Keying). PM-16QAM - Modulação de amplitude em quadratura com 16 estados e em dupla polarização. QAM - Modulação de amplitude em quadratura (Quadrature Amplitude Modulation). RDE - Equalizador dirigido radialmente (Radially Directed Equalizer) . STD-SMF - Fibra óptica monomodo padrão (Standard Single Mode Optical Fiber). TDE - Equalizador no domínio de tempo (Time Domain Equalizer) .

Estado da Técnica

Diversos formatos de modulação de alta ordem com multiplexação em polarização (PM) vêm sendo amplamente estudados na literatura conhecida, para ligações de distância longa e ultra longa. Com o auxílio de detecção coerente e algoritmos de processamento digital de sinais é possível se mitigar as deficiências da transmissão totalmente no domínio eletrônico-digital.

Muitos algoritmos foram desenvolvidos com diferentes objetivos para reduzir ou eliminar várias deficiências de transmissão. Em particular, diferentes abordagens têm sido propostas para equalização de dispersão cromática (CD), como a equalização no domínio da frequência (FDE) (usando métodos de sobrepor-e-salvar ou sobrepor-e-somar), e a equalização de domínio de tempo (TDE).

Ambos os métodos FDE e TDE consideram que se sabe exatamente qual a CD total acumulada na transmissão através da fibra óptica. Entretanto, o valor de CD pode ser considerado dinâmico, devido, principalmente, à possibilidade de os caminhos ópticos se reconfigurarem dinamicamente. Por esse motivo, equalizadores adaptativos de CD, juntamente com estimadores de CD e algoritmos de monitoramento se fazem necessários em receptores ópticos digitais.

Diferentes abordagens para se chegar a uma estimativa correta de dispersão cromática, sem a utilização de sequências de treinamento (i.e., métodos não auxiliados por dados) são apresentadas na literatura técnica, tais como o estimador com linha de atraso amostrada (DTSE), o estimador de dispersão cromática no domínio da frequência (FDCDE) e o método da auto-correlação da potência da forma de onda do sinal (ACSPW).

Compreendem o estado da técnica diversos documentos de patente que revelam métodos e técnicas para a estimativa de dispersão cromática.

A publicação US2012213512 (Al), por exemplo, revela um método que utiliza uma estimativa baseada num sinal RDE obtido após a demultiplexação em polarização do sinal através de um algoritmo de módulo constante (CMA). Esta abordagem tende a ser demorada, não atendendo às necessidades de tempo de subida de um sistema.

Já a publicação US2010142946 (Al) revela um método que tenta estimar e monitorar a dispersão cromática através da fase do sinal recebido, tendo implementações diferentes se o sinal recebido for codificado com codificação diferencial ou não, apresentando também restrições à taxa de amostragem do receptor.

A publicação US2012128376 (Al) também revela um método em que é estimada a dispersão cromática através de um método insensível à PMD do sinal óptico, utilizando a fase do espectro obtido através de FFTs na entrada. Entretanto este método é bastante custoso computacionalmente pois existe uma grande dificuldade em se obter o sinal de fase linearizado dos espectros devido à limitação da fase em ±n radianos.

Objetivos da Invenção

Tendo em vista o acima exposto, é o objetivo principal da presente invenção prover um método para realizar ã' estimação de dispersão' cromática total acumulada em uma transmissão através de um meio de fibra óptica.

É ainda outro objetivo da presente invenção prover um método que propicie o uso adequado do método em receptores ópticos coerentes com tolerância a erros de temporização e sincronismo.

É ainda outro objetivo da presente invenção prover um método que propicie maior robustez em relação aos métodos existentes.

É ainda outro objetivo da presente invenção prover um método que propicie menor custo computacional com relação à quantidade de operações executadas e ocupação espacial em um chip de silício.

É ainda outro objetivo da presente invenção prover um método que seja insensível ao formato de modulação do sinal recebido.

Finalmente, é um objetivo da presente invenção prover um algoritmo que, considerando a simulação e cenários experimentais, apresente um melhor desempenho global.

Descrição Resumida da Invenção

Os objetivos propostos são alcançados através de um método para estimar a dispersão cromática em sistema de comunicações ópticas coerentes utilizando processamento digital de sinais, método este que possibilita estimar a dispersão cromática total em ampla faixa de valores possíveis de estimação, com menor custo computacional, atendendo aos requisitos de tempo de subida de um sistema e que seja insensível ao formato de modulação utilizado.

O método propõe um novo estimador de CD, não auxiliado por dados, baseado no detector de erros de temporização de Gardner (Gardner timing error detector - GTED) .

O algoritmo é semelhante ao DTSE e ao FDCDE no que diz respeito a percorrer os possíveis valores de CD; porém o método da invenção utiliza a variância da saída do GTED como função de custo.

Uma importante vantagem desse método é que, como é necessário realizar a recuperação de relógio e temporização em receptores ópticos coerentes, o algoritmo de Gardner já é implementado para a recuperação de sincronismo; assim, a estimação de CD é realizada com o aumento mínimo de complexidade computacional e, ainda assim, mostra boa precisão.

A baixa complexidade do estimador proposto resulta apenas de um cálculo de variância em N/2 valores de erro, onde N é o nível de paralelização do algoritmo de recuperação de temporização de Gardner.

As técnicas para estimar a dispersão cromática, não auxiliadas por dados, acima mencionadas, são avaliadas sob cenários de transmissão de polarização multiplexada (PM), em simulações e em experimentos, com os formatos Chaveamento de quadrifase em dupla polarização (PM-QPSK ou PM-4QAM) e Modulação de amplitude em quadratura com 16 estados e dupla polarização (PM-16QAM).

O método da invenção foi testado em simulação (ideal) e em uma montagem experimental com pelo menos 80 canais, totalizando um circuito (loop) de recirculação óptico de pelo menos 226 km. Os resultados mostram que o método proposto tem erro de estimativa máxima de 120 ps/nm, sendo adequado para uso em receptores ópticos coerentes com utilização de recuperação de sincronismo e equalização dinâmica.

Descrição das Figuras

A invenção será melhor compreendida a partir da descrição detalhada que segue e das figuras que a ela se referem, em que:

A Figura 1 mostra um fluxograma que ilustra uma sequência típica de algoritmos para equalização de sinais ópticos em dupla polarização, destacando a interação entre o bloco de compensação de CD e o bloco de recuperação de sincronismo, objeto da invenção.

A Figura 2 apresenta, em linha interrompida, a implementação do estimador de CD da invenção, e sua interação com o recuperador de temporização de Gardner.

A Figura 3 apresenta a curva típica de operação obtida com a utilização do método da invenção para estimar a dispersão cromática, baseado no GTED.

A Figura 4 ilustra uma montagem experimental compreendendo um transmissor óptico, um circuito de recirculação óptica com 226 Km de STD-SMF e um receptor óptico coerente.

A Figura 5a apresenta um diagrama simulado do erro de estimação da dispersão cromática em PM-4-QAM (PM-QPSK). A Figura 5b apresenta um diagrama experimental do erro de estimação da dispersão cromática em PM-4-QAM (PM- QPSK) . A Figura 5c apresenta um diagrama simulado do erro de estimação da dispersão cromática em PM-16-QAM. A Figura 5d apresenta um diagrama experimental do erro de estimação da dispersão cromática em PM-16-QAM.

Descrição Detalhada da Invenção

A seguir são descritas algumas formas preferenciais de realização e de utilização do método para estimar a dispersão cromática em sistemas de comunicações ópticas coerentes, utilizando processamento digital de sinais.

De acordo com a Figura 1 a sequência de algoritmos utilizada é preferencialmente a seguinte: - Correções de front-end (1) - Corrige os efeitos provocados pelo receptor óptico e por filtragens e atrasos no domínio elétrico; - Compensação de dispersão cromática (2) - Compensa o fenômeno em que diferentes componentes espectrais propagam pela fibra óptica em velocidades diferentes, ou seja, dispersão cromática; - Recuperação de sincronismo (3) - Responsável por manter o receptor temporalmente sincronizado com o transmissor; - Demultiplexação de polarização (4) - Responsável por separar as informações distintas das duas polarizações, espacial e temporalmente. - Recuperação de portadora (5) - Compensa os ruídos de fase e compensa a diferença de frequência de operação entre o oscilador local e o sinal recebido;

A Figura 2 apresenta o conjunto de algoritmos, descritos através de blocos funcionais de acordo com a invenção compreendendo o bloco da compensação de CD 11, do recuperador de temporização de Gardner compreendendo os blocos 12, 13, 14 e 15 e a implementação 20, 21 e 22 proposta pela invenção, para o estimador de CD.

O algoritmo de Gardner é implementado em uma estrutura paralela de N amostras (2 amostras por símbolo), sendo em geral N = 12 8. Portanto, em cada iteração, N/2 valores de erro de GTED (eg(n)) são alimentados para o algoritmo de estimativa.

A operação do método proposto é dada através de uma varredura dos valores desejados de CD na faixa de interesse (por exemplo, entre 0 e 50.000 ps/nm), sendo limitada apenas pela capacidade do algoritmo de compensação do CD 11 (FDE ou TDE). O valor da CD compensada é variado em pequenos passos, através de um controlador de CD 22, e, para cada passo, efetua-se o cálculo da função de custo 20 como indicado na (Eq. 1) abaixo: (Eq. 1)

em que eg é a média dos N/2 valores de eg , o qual é dado por (Eq. 2):

ou por (Eq. 3)

ou ainda por (Eq. 4):

em que real( ) é a função que indica a parte real, imag( ) ê a função que indica a parte imaginária, abs( ) é a função que indica valor absoluto, * indica a operação "complexo conjugado" e Xin(k), Xin(k-1) e Xin(k-2) são as saídas do interpolador.

A função de custo é simplesmente a variância, calculada a partir dos N/2 valores paralelos de erro do GTED. Para se melhorar a precisão do método, pode-se realizar a somatória de valores consecutivos de variância, com intuito de se ter uma média.

O estimador de CD, em seguida, procura pelo ponto de valor mínimo 21 da função-custo para determinar o CD total estimado, conforme ilustrado na Figura 3. Esta figura apresenta um gráfico típico de valores obtidos com a função- custo em função da dispersão cromática. A dispersão cromática relativa ao valor mínimo calculado a partir da função-custo é, assim, a dispersão cromática estimada.

Durante a busca pela CD, o oscilador controlado numericamente (NCO) 15 do algoritmo de Gardner é desligado, fazendo com que o interpolador 12 passe todo o sinal proveniente do compensador de CD 11 diretamente para a saída 16.

A principal vantagem de usar a variância do GTED em vez de algoritmos de estimação de CD anteriormente relatados é que um algoritmo de recuperação de sincronismo já é necessário ao conjunto de algoritmos DSP em receptores de ópticos coerentes, e, por conseguinte, tendo a vantagem de possuir essa função implementada e usar as estatísticas GTED para a estimativa de CD, é possível economizar em termos de complexidade adicional do algoritmo, especialmente quando se considera o desenvolvimento prático de componentes em chips de silício (ASIC). Ou seja, o acréscimo computacional para implementação em hardware, medido em área de silício necessária, é baixo.

Resultados simulados e experimentais mostraram que o método da invenção é robusto, tanto para diferentes formatos de modulação, quanto para diferentes níveis de ruído.

Experimentos Realizados

Para testar o método da invenção, foram realizadas algumas simulações e montados alguns experimentos utilizando os formatos de modulação PM-4QAM (PM-QPSK) e PM-16QAM, com 112 Gb/s e 224 Gb/s de taxa de transmissão, respectivamente, como mostrado na Figura 4.

O modulador óptico de quadratura com diversidade de polarização (PM-Q) foi alimentado por quatro linhas binárias em 28 Gb/s (para o PM-4QAM) ou quatro linhas quaternárias em 56 Gb/s (para o PM-16QAM) com uma sequência de bits pseudoaleatórias de ordem 15 e modulados em 80 canais DWDM.

O sinal óptico foi passado através de um loop de recirculação com 4 enlaces de 50 km e 1 enlace com 2 6 km de fibra de monomodo padrão (STD-SMF) (32). EDFAs foram utilizados para compensar a perda total no loop (226 km).

No lado do receptor com diversidade de fase e polarização, os sinais elétricos de saída foram adquiridos 80.000 amostras com um osciloscópio de tempo real por cada linha elétrica de XYIQ a 40 milhões de amostras por segundo.

Os dados foram processados de modo off-line pelos algoritmos de processamento digital de sinais apresentados na Figura 1.

O nível de paralelização de Gardner considerado em simulação e experimentos foi N = 12 8, e o número de desvios considerados foi M = 32. Para o método proposto foi usado o passo do CD de 10 ps/nm.

Na simulação, o OSNR aplicado foi de 34 dB no receptor para formato de modulação PM-16QAM e de 2 0 dB para PM-4QAM. No simulador, de todas as deficiências de transmissão, somente o CD estava presente. Na simulação para o formato PM-4-QAM foi aplicada CD variando de 0 a 50.000 ps/nm e para o formato PM-16-QAM, a dispersão cromática variou de 0 a 33.500 ps/nm. Foram simulados para cada ponto de dispersão cromática, dez conjuntos independentes com sementes de ruído diferentes. Os resultados das simulações são mostrados nas Figuras 5a e 5c.

Percebe-se, através da análise dos gráficos que o método proposto teve o melhor resultado de estimativa, apresentando erro máximo em torno de 30 ps/nm.

No experimento com o loop de recirculação óptico, o número máximo de voltas determinado foi o primeiro que apresentou BER acima do limite FEC de 3,8xl0’3; e em cada loop foram adquiridos dez conjuntos de dados independentes. Para a transmissão de PM-4-QAM, o número máximo de loops foi 13 (2.938 km) e para a PM-16-QAM o máximo foi quatro loops (904 km) . A dispersão cromática acumulada em cada volta foi 4.082 ps/nm e, assim, o valor máximo estimado foi de aproximadamente 53.000 ps/nm e 16.300 ps/nm para PM-4QAM e PM-16QAM respectivamente.

Os resultados para o experimento de PM-4QAM são mostrados na Figura 5b. Os resultados para o experimento de PM-16-QAM são apresentados na Figura 5d.

Percebe-se, através da análise dos gráficos que o método proposto teve o melhor resultado de estimativa, apresentando erro máximo em torno de 120 ps/nm.

Tais resultados comprovaram que o método proposto é robusto a ruídos e a diferentes tipos de formato de modulação.

Embora a presente invenção tenha sido descrita em conexão com certas modalidades preferenciais de realização, não se pretende limitar a invenção àquelas modalidades particulares. Ao contrário, pretende-se cobrir todas as alternativas, modificações e equivalentes possíveis dentro do espírito e do escopo da invenção.

Claims

1. Método para estimar a dispersão cromática em sistemas de comunicações ópticas coerentes, dispensando a utilização de sequências de treinamento, compreendendo um estimador de CD baseado no detector de erros de temporização de Gardner (12, 13, 14, 15), caracterizado pelo fato de a operação de dito estimador de CD compreender uma varredura em pequenos passos dos valores desejados de CD não auxiliada por dados, através de um controlador (22) sendo que, em cada passo é calculada a função de custo (20) utilizando a variância da saída do GTED e determinado seu valor mínimo (21), obtendo-se o CD total estimado, dito método compreendido em uma sequência de algoritmos, incluindo um ou mais dentre os seguintes: - Correções de Front-end (1); - Compensação de Dispersão Cromática (2, 11); - Recuperação de Sincronismo (3, 12, 13, 14, 15); - Demultiplexação de Polarização (4); - Recuperação de Portadora (5).

2. Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que dita compensação da dispersão cromática (2, 11) utiliza informações do dito controlador de CD (22) o qual efetua a varredura dos valores de CD na faixa desejada.

3. Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que os algoritmos de Compensação da Dispersão Cromática (2) e de Recuperação de Sincronismo (3, 12, 13, 14, 15) integram um cálculo baseado em passos sucessivos de iteração.

4. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 3, caracterizado pelo fato de que o valor estimado da dispersão cromática corresponde ao mínimo da variância dos valores fornecidos pelo recuperador de temporização de Gardner (3, 12, 13, 14, 15).

5. Método de acordo com a reivindicação 4, caracterizado pelo fato de que o valor estimado da dispersão cromática corresponde ao mínimo da variância dos valores fornecidos pela equação:

6. Método de acordo com a reivindicação 4, caracterizado pelo fato de que o valor estimado da dispersão cromática corresponde ao mínimo da variância dos valores fornecidos pela equação:

7. Método de acordo com a reivindicação 4, caracterizado pelo fato de que o valor estimado da dispersão cromática corresponde ao mínimo da variância dos valores fornecidos pela equação: