PT108740B - LOW COMPLEXITY DIGITAL FILTER FOR THE COMPENSATION OF CHROMATIC DISPERSION IN THE FIELD OF TIME - Google Patents

LOW COMPLEXITY DIGITAL FILTER FOR THE COMPENSATION OF CHROMATIC DISPERSION IN THE FIELD OF TIME Download PDF

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PT108740B
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Humberto Moreira Nolasco Pinto Armando
Pedro Pereira Guiomar Fernando
Batalha De Oliveira Pascoal Amado Sofia
Sanches Martins Celestino
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Univ Aveiro
Inst De Telecomunicacoes
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    • HELECTRICITY
    • H04ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04BTRANSMISSION
    • H04B10/00Transmission systems employing electromagnetic waves other than radio-waves, e.g. infrared, visible or ultraviolet light, or employing corpuscular radiation, e.g. quantum communication

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Abstract

A INVENÇÃO AQUI APRESENTADA BASEIA-SE NA APLICAÇÃO DE UM NOVO MÉTODO DE EQUALIZAÇÃO DIGITAL, DESTINADO À COMPENSAÇÃO DA DISPERSÃO CROMÁTICA EM SISTEMAS DE COMUNICAÇÃO ÓTICA COERENTE. ESTE MÉTODO TEM POR BASE UMA DECOMPOSIÇÃO ANALÍTICA DOS COEFICIENTES DO FILTRO FIR EM VALORES DISCRETOS, DADOS EM POTÊNCIAS DE 2. ESTA DECOMPOSIÇÃO PERMITE EXPLORAR A REPLICAÇÃO DOS COEFICIENTES E TIRAR PARTIDO DA PROPRIEDADE DISTRIBUTIVA DA MULTIPLICAÇÃO FACE À ADIÇÃO, REDUZINDO SIGNIFICATIVAMENTE O NÚMERO DE MULTIPLICAÇÕES NECESSÁRIAS AO FILTRO FIR. PARA ALÉM DISSO, A DECOMPOSIÇÃO EM POTÊNCIAS DE 2 DOS COEFICIENTES PERMITE IMPLEMENTAR AS MULTIPLICAÇÕES APENAS COM OPERAÇÕES DE ADIÇÃO E DESLOCAMENTO BINÁRIO. A COMBINAÇÃO DESTAS CARACTERÍSTICAS DEU ORIGEM A UMA NOVA E EFICIENTE ARQUITETURA FIR DISTRIBUTIVA, OTIMIZADA PARA TEMPO-REAL.THE INVENTION HERE PRESENTED IS BASED ON THE APPLICATION OF A NEW METHOD OF DIGITAL EQUALIZATION, INTENDED FOR THE COMPENSATION OF CHROMATIC DISPERSION IN COHERENT OPTICAL COMMUNICATION SYSTEMS. THIS METHOD HAS ON THE BASIS AN ANALYTICAL DECOMPOSITION OF FIR FILTER COEFFICIENTS IN DISCRETE VALUES, DATA IN POTENCES OF 2. THIS DECOMPOSITION ALLOWS TO EXPLOIT THE REPLICATION OF THE COEFFICIENTS AND TO TAKE PART OF THE DISTRIBUTIVE PROPERTY OF THE MULTIPLICATION TO THE ADDITION, REDUCING SIGNIFICANTLY THE NUMBER OF MULTIPLICATIONS NECESSARY TO THE FILTER FIR. IN ADDITION, THE BREAKDOWN OF 2 OF THE COEFFICIENTS ALLOWS THE IMPLEMENTATION OF THE MULTIPLICATIONS ONLY WITH ADDITION AND BINARY SHIFT OPERATIONS. THE COMBINATION OF THESE CHARACTERISTICS GAVE ORIGIN TO A NEW AND EFFICIENT ARCHITECTURE FIR DISTRIBUTIVE, OPTIMIZED FOR REAL TIME.

Description

DESCRIÇÃODESCRIPTION

Filtro Digital de Baixa Complexidade para a Compensação da Dispersão Cromática no Domínio do TempoLow Complexity Digital Filter for Time Domain Chromatic Dispersion Compensation

Domínio Técnico da invençãoTechnical Field of the Invention

A presente invenção diz respeito ã área das comunicações óticas e descreve um método para egualizar os efeitos da dispersão cromática em sistemas de. comunicação ótica de elevado débito,. recorrendo a filtros ET.R digitais e previdenciando -pma implementação livre de multiplicadores .The present invention relates to the field of optical communications and describes a method for egualizing the effects of chromatic dispersion in optical systems. high speed optical communication ,. using digital ET.R filters and providing for multiplier-free implementation.

Descrição do Estado da TécnicaDescription of the prior art

A dispersão cromática presénté nos sistemas de comunicação por fibra ótica limita fortemente o alcance e débito do sinal. Duma, grande parte das ligações óticas atualmente instaladas no terreno, a compensação da dispersão cromática realiza-se no domínio ótico, através da inclusão de troços de fibra de compensação dé dispersão (DGF - :Dispersíon Gompensafirg Fíher) . lio entanto, a utilização de fibras de compensação de dispersão traz diversas desvantagéns destacando-se a degradação da relação sinal ruído (devido aos amplificadores adicionais e distorções não lineares causadas pelas PCEs) e a infl exibi 1 idade a modificações no caminho ótico e/ou no sinal de transmissão.The chromatic dispersion present in fiber optic communication systems strongly limits signal range and throughput. For most of the optical connections currently installed in the field, chromatic dispersion compensation is carried out in the optical domain by the inclusion of Dispersion Compensation Fiber (DGF - : Dispersion Gompensafirg Fíher) sections. However, the use of dispersion compensating fibers has several disadvantages, notably the degradation of the signal-to-noise ratio (due to additional amplifiers and nonlinear distortions caused by the PCEs) and the inflatability to optical pathway changes and / or on the transmission signal.

A recente introdução de novas tecnologias de modulação digital e deteção coerente aliadas á uma force componente de processamento digital de sinal (DSE - Digital Bigngl Processing} veio originar uma revolução: nos sistemas comerciais de comunicação ótica, Estes novos sistemas recuperam a informação de amplitude, fase e polarização do campo ótico, permitindo assim a compensação de distorções de transmissão e propagação do sinal no domínio digital, após a deteção do sinal, reduzindo a necessidade de compensação no domínio ótico.The recent introduction of new digital modulation and coherent detection technologies combined with a Digital Bigngl Processing (DSE) component has sparked a revolution: in commercial optical communication systems, these new systems retrieve amplitude information, phase and polarization of the optical field, thus allowing the compensation of transmission distortions and signal propagation in the digital domain after signal detection, reducing the need for optical domain compensation.

Dado o carácter linear e invariante no tempo da dispersão cromática, a sua compensação pode ser efetuada através de filtros digitais lineares, permitindo remover as DGFs do sistema de comunicação, e consequentemente evitar as penalidades de desempenho previamente mencionadas. A equalização digital da dispersão cromática pode ser realirada no domínio do tempo, recorrendo a filtros de resposta impulsionai finita ou infinita CFiR/IlR Finíte/Infinite impulse Response) , ou alternativaraente, no domínio da frequência, onde é aplicada â função de transferência inversa da resposta linear da fibra.Given the linear and time-invariant character of the chromatic dispersion, it can be compensated through linear digital filters, allowing the DGFs to be removed from the communication system, and consequently to avoid the performance penalties mentioned above. Digital equalization of chromatic dispersion can be realized in the time domain using either finite or infinite impulse response filters (CFiR / IlR Finite / Infinite impulse Response) or alternatively in the frequency domain where it is applied to the inverse frequency transfer function. linear response of fiber.

Uma implementação no domínio da frequência ou no domínio do tempo ira depender do sistema final em causa. Á equalização no domínio do tempo é geralmente mais simples de implementar em tempo-real, evitando o uso dê transformadas de Fourier e consequente processamento em bloco. No entanto, para sistemas de transmissão de longa distância e elevada taxa de símbolos, os valores de dispersão cromática acumulada tendem a ser muito elevados, criando longos efeitos de memória temporal. Nessas condições, a equalização no domínio da frequência tende a ser mais vantajosa, visto necessitar de menos requisitos computacionais quando comparada com a equalização no domínio do tempo. De facto, o esforço computacional imposto pela compensação com filtros FIR evolui com N’;, onde N representa o numero de coeficientes do filtro, ao passo que o esforço computaeiorâl associado com a equalisaçâo no domínio da frequência evoluí com Niclogfiferj, onde Nífv representa o número mínimo de amostras necessário: para cada transform (FFT):. Dado gue iV e .awêntw do forma similar com o aumento da dispersão cromática, tornase evidente a desvantagem dos filtros FIR convencionais para sistemas de longo alcance com elevada dispersão acumulada. 0 esforço computacional requerido por estes algoritmos surge assim como: um fator muito limitativo em termos de reguisitos dê naroWre e consumo energético, o que leva è necessidade de. desenvolver métodos simplificados para compensação digital da dispersão cromática. 0 desenvolvimento dm novos métodos simplificados de égualisacão digital deverá ter em conta um compromisso entre desempenho e esforço computacional, com possibilidade de ajuste ao sistema de comunicação ótica em causa e respetivos recursos computacionais e energéticos d i sp on i V ei s.A frequency domain or time domain implementation will depend on the final system in question. Time domain equalization is generally simpler to implement in real time, avoiding the use of Fourier transforms and consequent block processing. However, for long-range, high-symbol transmission systems, the accumulated chromatic dispersion values tend to be very high, creating long memory effects. Under these conditions, frequency domain equalization tends to be more advantageous as it requires fewer computational requirements compared to time domain equalization. In fact, the computational effort imposed by FIR filter compensation evolves with N '; , where N represents the number of filter coefficients, while the computational effort associated with frequency domain equalization evolved with Niclogfiferj, where Nifv represents the minimum number of samples required: for each transform (FFT) :. Given that similarly with increasing chromatic dispersion, the disadvantage of conventional FIR filters for long-range systems with high accumulated dispersion is evident. The computational effort required by these algorithms emerges as: a very limiting factor in terms of energy supply and energy consumption, which leads to the need for. develop simplified methods for digital color dispersion compensation. The development of new simplified methods of digital equalization should take into account a compromise between performance and computational effort, with the possibility of adjusting to the optical communication system in question and the respective computational and energy resources available.

Descrição Pormenorizada da InvençãoDetailed Description of the Invention

Sendo a dispersão cromática um efeito deterministíco, conhecido ah priori e independente da polarização, esta pode ser eliminada aplicando a função de transferência inversa de propagação do canal. Para esse efeito, filtros digitais de resposta ao impulso finita ÍF1R - Finite Impulse Response} podem ser utilizados, em que as saídas equalizadas do filtro FIR são obtidas pela eonvolução do sinal de entrada com os coeficientes do filtro. Da estrutura e fórmula geral do filtro FIP. verifica-se que este: é exolusívamente constituído por operações de multiplicação, adição e atrasos.Since chromatic dispersion is a deterministic effect, known a priori and independent of polarization, it can be eliminated by applying the inverse transfer function of the channel propagation. For this purpose, Finite Impulse Response} digital finite impulse response filters can be used, where the equalized FIR filter outputs are obtained by evolving the input signal with the filter coefficients. Of the structure and general formula of the FIP filter. it turns out that this: is exolusivably made up of multiplication, addition and delay operations.

Dâdã a necessidade de implementação destes filtros em dispositivos de hafdware reconfiguráveis, como Field Programmâble Gate Arrays (PPGAs)> torna-se indispensável a sua otimização, de modo a torná-los mais rápidos, simples e energeticamente eficientes. Um parâmetro critico dos filtros atualmente utilizados para equalização linear é o número de multiplicações necessárias a sua implementação:. Mais especifiçamente, o número de multiplicações necessárias ao filtro evolui quadratícamente comi a dispersão acumulada, dificultando a sua implementação em dispositivos de hardware com recursos limitados. Posto isto, a otimização do algoritmo passa fundamentalmente por uma redução das operações de multiplicação,These filters need to be implemented in reconfigurable hafdware devices, such as Field Programmable Gate Arrays (PPGAs), and their optimization is essential to make them faster, simpler and more energy efficient. A critical parameter of the filters currently used for linear equalization is the number of multiplications required for its implementation. More specifically, the number of multiplications required for the filter evolves quadratically with the accumulated dispersion, making it difficult to implement on resource-limited hardware devices. That said, the optimization of the algorithm basically involves a reduction of the multiplication operations,

Çonsiderando uma ligação ótica estática ponto-a-ponto, em que o parâmetro de dispersão da fibra é bem conhecido, os coeficientes do filtro FIR podem ser obtidos utilizando a transformada inversa de Fouríer da função de transferência linear ou através de fórmulas analíticas simples· Uma vez que os coeficientes são constantes, é possível determinálos no momento da inicializaçâo do sistema. Caso o sistema seja alierad©:, o plano de controlo da rede deverá dar indicação ao recetor de que a rede foi modificada, de modo a que este possa readaptar-se ao novo sistema.Considering a point-to-point static optical connection, where the fiber dispersion parameter is well known, FIR filter coefficients can be obtained by using the four-way inverse transform of the linear transfer function or by simple analytical formulas. Since the coefficients are constant, it is possible to determine them at the time of system initialization. If the system is changed © :, the network control plan shall indicate to the receiver that the network has been modified so that it can be re-adapted to the new system.

N© sentido de atender aos requisitos acima mencionados ê agui proposta uma nova arquitetura de filtro digital âe complexidade reduzida. o diagrama de blocos da Figura 1 ilustra as operações básicas necessárias à implementação do novo algoritmo de equai inação linear.. A estrutura deste filtro divide-se em quatro partes:: soma: simétrica (El) , unidades de controlo ÍS2), soma distributiva (S3) e multiplicação com deslocamentos binários e; adições (sbiftard-add.) <E4JIn order to meet the above requirements, a new digital filter architecture of reduced complexity has been proposed. The block diagram of Figure 1 illustrates the basic operations required to implement the new linear equation algorithm. The structure of this filter is divided into four parts :: sum : symmetrical (E1), control units (S2), distributive sum (S3) and multiplication with binary displacements and; additions (sbiftard-add.) <E4J

Dadas as simetrias observadas nos coeficientes, é feita a soma das posições simétricas do filtro, amostras de entrada nas obtendo-se assim uma realização otimizada do filtro <E1). Esta otimização permite uma redução de aproximadamente S0%: do número de multiplicações Inicíalmente necessárias. 0 resultado da soma simétrica é posteriormente: direcionado para as unidades de controlo (E2). Nesta fase, as componentes reais e imaginárias dos coeficientes: são analisadas separadamente, tal como pode ser verificado na Figura 1. As unidades de controlo são a prrorr instruídas de modo a tirarem partido da propriedade distributiva da multiplicação sobre a adição e assim evitar a raplicação de ope raço e s de mui t i p 1 i cação / s h í - and - aâ<3. Es ta i n s t r u ç ao tem por base as informações provenientes do processo da decomposição dos coeficientes em valores discretos:. Após quantização, os coeficientes são definidos por um conjunto de 2Δ valores possiveis >c·), não nulos, cada um com determinada multiplicidade. Deste modo, para cada valor possível,: ο», a unidade de controlo determina ura: conjunto: de sinais de entrada cujos valores dos coeficientes são idênticos, obtendo assim 2& conjuntos. De seguida, são:Given the symmetries observed in the coefficients, the symmetric filter positions are summed, input samples obtained, thus obtaining an optimized realization of the filter (E1). This optimization allows for a reduction of approximately 50% in the number of multiplications initially required. The result of the symmetric sum is later: directed to the control units (E2). At this stage, the real and imaginary components of the coefficients: are analyzed separately, as can be seen from Figure 1. The control units are prrorr instructed to take advantage of the distributive property of multiplication over addition and thus to avoid replication. operations of mui tip 1 i cation / sh í - and - aâ <3. This is based on information from the process of decomposing coefficients into discrete values. After quantization, the coefficients are defined by a set of 2 Δ possible values> c ·), not null, each with a certain multiplicity. Thus, for each possible value: ο ', the control unit determines a: set: of input signals whose coefficient values are identical, thus obtaining 2 & sets. Next are:

efetuadas as somas dos conjuntos obtidos, segundo os pares, cía e respetivo simétrico (c~s;) (E3) , É de realçar a presença de Sinal negativo em parte dos somadores, de modo a acomodar os coeficientes negativos. Finalmente, o bloco sbí f t-and-add realiza as correspondentes multiplicações sobre os resultados das somas distributivas:, sendo estes depois somados, produzindo por fim o sinal de saída equ a1í zado y(n}Q (Ei) .after the sum of the sets obtained, according to the pairs, cia and its symmetric (c ~ s; ) (E3), It is important to highlight the presence of a negative sign in some of the adders, in order to accommodate the negative coefficients. Finally, the block sbí f t-and-add performs the corresponding multiplications on the results of the distributive sums:, which are then summed, finally producing the equated output signal y (n} Q (Ei).

Na Figura 2 é ilustrada a sequência de Operações de préprocessamento realizadas sobre os coeficientes do filtro,: Os coeficientes são inicialmente calculados, utilizando a inversa da resposta impulsionai da fibra (101.) . Posteriormente, estes são normalizados entre ~1 e 1 e uníformemente quantízados (102), dando origem a um sinal de salda (104) definido por um conjunto de valores discretos. 0 parâmetro fundamental neste processo é representado pela Constante Δ (1030, que Impõe um conjunto de 2Δ+1 valores possíveis, {ChO, para os coeficientes do filtro. Desta forma, no processo de quantização a precisão é controlada pelo valor de Δ. Após quantização: os coeficientes apresentam 2,1+1 valores possíveis com determinado número de: repetições (multiplicidade} na componente real e imaginária. Os coeficientes são separados em parte real (106) e parte imaginária (10:7) , utilizando o bloco 105. Por fim, para cada valor possível, Cm, ό bloco 108 determina os índices (tendo em conta o sinal) para os: quais ocorre multiplicidade de coeficientes, atuando de forma independente para as componentes real (100) e imaginária (110}, e determina ainda os valores absolutos dos coeficientes quantizados (111) . Sendo: os valores possíveis simétricos, c..-r=~cv e os sempre nulo, os valores absolutos são: dados: por Á valores, fç;,..., tu? > Õs sinais 109,/110 a 111 obtidos permitem tirar partido da propriedade distributiva da mui típlicação sobra a adição,. reduzindo sígnifícatívamente o número de operações de ghlf&--axâ-aãd.Figure 2 shows the sequence of Preprocessing Operations performed on the filter coefficients: The coefficients are initially calculated using the inverse of the fiber impulse response (101). Subsequently, these are normalized between ~ 1 and 1 and uniquely quantized (102), giving rise to an output signal (104) defined by a set of discrete values. The fundamental parameter in this process is represented by the Constant Δ (1030, which imposes a set of 2Δ + 1 possible values, {ChO, for the filter coefficients. Thus, in the quantization process the precision is controlled by the value of Δ. Quantization: The coefficients have 2.1 + 1 possible values with a certain number of: repetitions (multiplicity} in the real and imaginary component. The coefficients are separated into real part (106) and imaginary part (10: 7) using block 105. Finally, for each possible value, Cm, block 108 determines the indices (taking into account the sign) for which: multiplicity of coefficients occurs, acting independently for the real (100) and imaginary (110} components, and it also determines the absolute values of the quantized coefficients (111) where: the symmetrical possible values, c ..- r = ~ cv and the always null values, the absolute values are: given: by Á values, fç;, ... , you?> Õ signs 109, / 110 to 111 obtained allow us to take advantage of the distributive property of the many significantly reducing the number of ghlf & - axâ-ad operations.

Nas Figuras 3 e 4 esta ilustrada a sequência de operações realizadas sob as amostras de entrada, Inicíaimente os sinais de entrada (201) nas posições simétricas do filtro (2 02) sâo somados :, de modo a explorar a simetria dos coeficientes. 0 resultado da soma simétrica (203) é depois enviado para, o bloco da unidade de controlo (E2) que é composta por duas unidades de controlo correspondentes à parte: real e imaginária dos coeficientes quantízados. Â unidade de controlo E2, através de conjuntos dos índices (109/110) onde ocorre multiplicidade de coeficientes, será capar de (a partir do bloco: 3 01) selecionar as amostras de entrada correspondentes a esses índices e direcioná-las para a respetiva saída (sornador). Assim, na sai da do bloco 301 obtêm-se conjuntos de valores que serão posteríormente. acumulados, de modo a obter o somatõrío dos valores de entrada para os quais os coeficientes sâo iguais. O somador pode ser implementado utilizando uma estrutura em arvore, onde para cada conjunto de valores é obtida: uma saída. Por fim, os valores obtidos são somados segundo os pares de coeficientes íc, Ca-tca) e respetivos simétricos (.cu, c-,su. e-,a) , (E3) .Figures 3 and 4 show the sequence of operations performed on the input samples. Initially, the input signals 201 at the symmetrical positions of the filter 202 are summed to explore the symmetry of the coefficients. 0 symmetric result of summing (203) is then sent to the control unit block (E2) which comprises two control units corresponding to the part: real and imaginary quantized coefficients. The control unit E2, by means of index sets (109/110) where multiplicity of coefficients occurs, will be able to (from block: 3 01) select the input samples corresponding to these indices and direct them to their respective exit (sornador). Thus, at the output of block 301 are obtained sets of values that will be later. accumulated to obtain the sum of the input values for which the coefficients are equal. The adder can be implemented using a tree structure, where for each set of values is obtained : an output. Finally, the obtained values are summed according to the pairs of coefficients (c, Ca-tca) and their symmetrical (.cu, c-, su. E-, a), (E3).

Os resultados obtidos das somas são posteriormente multiplicados pelos respetivos valores absolutos (111), nos blocos 302. Sendo o valor de Δ uma potência de 2, os valores possíveis obtidos, ('oj, podem ser representados como potência de 2. Deste modo, torna-se exequível decompor esses valores em. operações de deslocamentos binários e adições, utilizando uma representação digitai (SD - augned Digít), como exemplificado na Figura 5. Para tal, cada bloco 302 tem: em conta a informação proveniente do sinal 111, de modo a conter a informação dos valores absolutos dos coeficientes presentes no filtro, e por fim efetuar a respetiva representação SD para cada coeficiente. Obtêm-se assim úma implementação livre de multiplicadores reais, utíliza-s© apenas multiplicadores shiít-and-add (m-s-a).The results obtained from the sums are then multiplied by the respective absolute values (111) in blocks 302. Since the value of Δ is a power of 2, the possible values obtained, ('oj, can be represented as the power of 2. It becomes feasible to decompose these values into binary displacement operations and additions using a digital representation (SD), as exemplified in Figure 5. For this, each block 302 takes into account the information from signal 111, to contain the information of the absolute values of the coefficients present in the filter, and finally make the respective SD representation for each coefficient, thus obtaining a free implementation of real multipliers, using only multipliers shiít-and-add ( msa).

Após multiplicação do sinal dê entrada pelos coeficientes do filtro as várias contribuições são somadas, sendo que o sinal de saída 304 requer ainda uma multiplicação adicionai pela unidade imaginária, As amostras equalixadas no domínio do tempo (306) são finalmente obtidas pela soma das contribuições de sarda do filtro provenientes dos sinais complexos 303 é 305 (S4),After multiplying the input signal by the filter coefficients the various contributions are summed, and the output signal 304 still requires an additional multiplication by the imaginary unit. The time domain equalized samples (306) are finally obtained by summing the contributions of filter freckle from complex signals 303 is 305 (S4),

Forma de Realização Preferencial da InvençãoPreferred Embodiment of the Invention

A título exemplíficativo apresentamos de seguida um cenário de implementação do método de equali cação da dispersão cromática aqui proposto, Fornecem-se também alguns resultados de simulação e respetiva comparação com o método de equalitsção utilizando filtros FIE,As an example, we present below a scenario of implementation of the chromatic dispersion equalization method proposed here. Some simulation results and their comparison with the equalization method using FIE filters are also provided.

Deste modo, é considerado resultados experimentais obtidos: para um sinal PN-QPSK (Polarírafei on Multíplexing Quadrature Ffease^Shíffc Feyíng) a operar â uma taxa de 100 G.b./s e propagado sobre 4000 km de fibra monomodo (SSMF 5 Cau da rd Single Node Fiher) com o parâmetro, 32=-20.4 psVkm, Nas Figuras 6 e 7 são apresentados resultados experimentais obtidos. Na Figura 6 pode ser observada a evolução dá taxa de erros de bit (BER. - Bit Error Rate) em função do número de coeficientes necessários â implementação do filtro FIE para compensação da dispersão cromática. Para o cenário em causa, verifica-se que embora o valor teórico obtido através do modelo físico seja de 1341 coeficientes, é possrvel reduzir o número de coeficientes até cerca de 60% desse valor (819 coeficientes} cow uma penalidade no fator p2 de apenas 0.1 dB. Este valor pode ser considerado coito o limite inferior para o numero de coeficientes necessários à compensação da dispersão cromática dê forma eficaz, sem que o desempenho do sistema se altere significativamente. Esta, otimização permite uma redução substancial do esforço computacional exigido pelo filtro, ha Figura 7 pode ser observada a evolução da BER em função da constante Δ utilizada na quzinticação dos coeficientes. Considerando apenas 60% dos coeficientes, verifica-se que é possível reduzir o valor de Δ ate 4, resultando numa penalidade adicional de apenas 0.2 dB em fator Q2. Este processo ilustra a^ flexibilidade adicional fornecida pela técnica de equalização propostaThus, the experimental results obtained are considered: for a PN-QPSK signal (Polarírafei on Multíplexing Quadrature Ffease ^ Shíffc Feyíng) operating at a rate of 100 Gb / s and spread over 4000 km single-mode fiber (SSMF 5 Cau da rd Single Node Fiher) with the parameter, 32 = -20.4 psVkm, Figures 6 and 7 present experimental results. Figure 6 shows the evolution of bit error rate (BER) as a function of the number of coefficients required to implement the FIE filter for chromatic dispersion compensation. For the scenario in question, it is found that although the theoretical value obtained through the physical model is 1341 coefficients, it is possible to reduce the number of coefficients to about 60% of this value (819 coefficients} with a penalty in factor p 2 of 0.1 dB This value can be considered as the lower limit for the number of coefficients needed for color dispersion compensation to be effective, without significantly changing system performance.This optimization allows a substantial reduction in the computational effort required by Figure 7 shows the evolution of BER as a function of the constant Δ used in the coefficient quantification, considering only 60% of the coefficients, it is possible to reduce the value of Δ to 4, resulting in an additional penalty of only 0.2 dB in Q factor 2. This process illustrates the additional flexibility provided by the proposed equalization technique.

para o t i mízaçâo for the purpose do compromisso of commitment en t r e p r e c i s â o en t r e p r e c i s â o na at quânti saçao dos how much coeficientes e o coefficients and the desempenhe play global global do of f i11 ro obtido. obtained. Os resultados The results obtidos obtained demonst demonst ram ram experimentaimente experimenting que aplicando a arquitetura de that by applying the architecture of £litro £ liter F1R F1R

distributiva para valores de fí reduzidos, é possível reduzir signifícatívamente o número de operações shfft-andadd necessárias ao filtro sem comprometer signifÍcatívamente o desempenho da equalização. Para o exemplo anterior., utilizando 819 coeficientes e um A~i, obtêm-se uma redução de complexidade em cerca de 90% de muitipiicações/shift-and-add e 37% de adições, relativamênte ao filtro BlR, para uma perda de desempenho inferior a 0.3 dB, em fator p2.distributive to reduced fi values, it is possible to significantly reduce the number of shfft-andadd operations required by the filter without significantly compromising equalization performance. For the previous example, using 819 coefficients and an A ~ i, a complexity reduction of about 90% multi-shift / shift-and-add and 37% additions relative to the BlR filter is achieved for a loss of performance less than 0.3 dB in factor p 2 .

A implementação desta técnica permite uma redução significativa da complexidade do algoritmo. Desta forma, torna-se possível minimizar os requisitos de hardmare e o consumo energético: dos dispositivos eletrónicos, utilizados para a sua implementação em tempo-real. Dependendo do sistema de trânsmissáo em cansa, esta nova técnica permite otimizar o compromisso entre desempenho computacional através do ajuste da precisão na dos coeficientes do filtro.The implementation of this technique allows a significant reduction in the complexity of the algorithm. In this way, it becomes possible to minimize hardmare requirements and energy consumption: of electronic devices, used for their real-time implementation. Depending on the tired transmission system, this new technique allows to optimize the compromise between computational performance by adjusting the precision of the filter coefficients.

e esforço quantí raçãoand quantification effort

Descrição das FigurasDescription of the Figures

Figura 1: Ά Figura 1 representa o diagrama de bloco para a implementação do método proposta para a equalifação da dispersão cromática,Figure 1: Ά Figure 1 represents the block diagram for the implementation of the proposed method for chromatic dispersion equalization,

Sinais de Referência da Figura 1:Reference Signals of Figure 1:

x(n.> - enésíma amostra de entrada ytn) '-' - enésíma amostra equaliradax (n.> - nth input sample ytn) '-' - nth equal sample

M-S--A - multiplicador shift-and-addM-S - A - shift-and-add multiplier

El - soma simétrica das amostras de entradaEl - symmetric sum of input samples

E2 - unidades de controlo, onde se determinam os vários subconjuntos de valores com coeficientes em comum, um subconjunto para cada valor possívelE2 - control units, where the various subsets of values with common coefficients are determined, one subset for each possible value

El ···· soma distributiva, dos vários subconjuntos obtidos na secção E2The distributive sum of the various subsets obtained in section E2

E< ~ multiplicação shift-and-add e soma das contribuições para o sinal equaíirado da parte real e imaginária de coeficientes e obtenção da amostra egualízadaE <~ shift-and-add multiplication and sum of the contributions to the equalized sign of the real and imaginary part of coefficients and obtaining the equal sample

Figura 2: Na Figura 2 e esquematicamente representado © processo de pré-processamento dos coeficientes- a priori determinados. É ef etuada a quanttração de coeficientes, e. em seguida são determinádos os índices da ocorrência da multiplicidade dos valores passíveis obtidos.Figure 2: In Figure 2 and schematically represented © pre-processing process of the a priori coefficients determined. The coefficient quantitation is effected, e.g. Then the indices of the occurrence of the multiplicity of the obtainable values obtained are determined.

Sinais da Referência da Figura 2:Reference Signals of Figure 2:

101 -coeficientes do filtro., a priori determinados.101 -filter coefficients. A priori determined.

102 - quantízadõf uniforme102 - uniform quantity

103 - parâmetro de quantização103 - quantization parameter

104 - coeficientes quantízados para um dado parâmetro de quantí cação104 - quantized coefficients for a given quantization parameter

105 - separa a parte real e imaginária do sinal complexo. 100 - parte real de coefi cientes qu<antizados105 - separates the real and imaginary part of the complex signal. 100 - real part of qualified coefficients

107 - parte imaginária de coeficientes quantiiaâos107 - Imaginary Part of Quantitative Coefficients

108 ~ determina os índices para os quais ocorre multiplicidade de coeficientes é os correspondentes valores absolutos108 ~ determines the indices for which multiplicity of coefficients occurs is the corresponding absolute values

109 ~ índices da ocorrência de multiplicidade, de cada valor possível na parte real de coeficientes109 ~ indices of the occurrence of multiplicity of each possible value in the real part of coefficients

110 - índices da ocorrência de multiplicidade de cada valor possível na parte imaginária de coeficientes110 - Indices of the occurrence of multiplicity of each possible value in the imaginary part of coefficients

111 - valores absolutos111 - absolute values

Figura 3; Na Figura 3 é esquematicamente apresentado um possível processo da soma simétrica das amostras de entrada.Figure 3; In Figure 3 is presented schematically a possible process of symmetrical sum of the input samples.

Sinais de Referência da Figura 3:Reference Signals of Figure 3:

201 - amostras de entrada201 - input samples

202 - soma das amostras de entrada nas posições simétricas202 - sum of input samples at symmetrical positions

203 ~ resultado da soma simétrica das amostras de entrada203 ~ result of symmetrical sum of input samples

Figura 4: Na Figura 4 é esquematicamente apresentado um processo de operações sobre amostras simetricamente somadas de forma, a obter amostras equaliza-das..Figure 4: In Figure 4 is presented schematically a process of operations on symmetrically summed samples, to obtain equalized samples.

Sinais de Referência da Figura 4:Reference Signals of Figure 4:

Z - acumuladorZ - accumulator

301 - unidade de controlo para, determinar os vários subconjuntos de valores com coeficientes em comum301 - control unit for determining the various subsets of values with common coefficients

302 - multiplicador shift-and-add, em que pode ser a priori configurado para cada valor absoluto302 - shift-and-add multiplier, which can be a priori set to each absolute value

303 - contribuição da parte real de coeficientes para a obtenção do sinal equalizado303 - contribution of the real part of coefficients to obtain the equalized signal

304 ~ contribuição da parte imaginária de coeficientes para a obtenção do sinal equalizado304 ~ contribution of the imaginary part of coefficients to obtain the equalized signal

305 ~ contrib;.iição da parte imaginária de coeficientes para a obtenção do sinal egualixado muitipiiçado pelo numero complexo jContribution of the imaginary part of coefficients for obtaining the signal that is often mixed by the complex number

06 - amostra equalízada06 - Equalized sample

Figura 5: Na Figura 5 é apresentada a estrutura interna da uma possível implementação do mui tipi doador shif t-and-adcl.Figure 5: Figure 5 shows the internal structure of a possible implementation of the shif t-and-adcl multi-donor.

Sinais de Referência da Figura 5:Reference Signals of Figure 5:

Shift - shift ieft./rightShift - shift ieft./right

Figura 6: Na Figura 6 é apresentado um gráfico com a. evolução do BER em função do número de coeiicíentes, ufílirando filtro FIR. Nota-se que é /possível remover a dispersão acumulada na fibra reduzindo o número de coeficientes até cerca de 60%/ do valor teórico, para uma penai i. cação máxima de 0.1 dB:.Figure 6: In Figure 6 a graph with a. evolution of the BER as a function of the number of substances, using the FIR filter. It is noted that it is possible to remove the accumulated dispersion in the fiber by reducing the number of coefficients up to about 60% / theoretical for a penalty. 0.1 dB maximum rating :.

Figura 7; Na Figura 10 é apresentado um gráfico com: a evolução do SER em função do parâmetro de quantizaçâo, Δ, utilizando o método proposto pâra 819 coeficientes. Para Δ-4, obtém-se uma redução de complexidade em cerca de 99% de mnltíplfcaões/shif t-and-add e. 37% de adições,· relativamente ao filtro FIR, para uma perda de desempenho inferior a 0.3 dB, em fatorFigure 7; Figure 10 shows a graph with: the evolution of the SER as a function of the quantization parameter, Δ, using the proposed method for 819 coefficients. For Δ-4, a complexity reduction of about 99% of multiples / shif t-and-add e is obtained. 37% of additions for the FIR filter for a performance loss of less than 0.3 dB by factor

Claims (6)

ReivindicaçõesClaims 1, Um método de equalizaçao digital da dispersão cromática para sistemas de transmissão ótica baseados era deteção coerente, implementado no dominio de tempo utilizando uras arquitetura distributiva do filtro FIR livre de multiplicadores1, A chromatic dispersion digital equalization method for optical transmission based systems was coherent detection, implemented in the time domain using a distributive architecture of the multiplier free FIR filter 2, Um método de equalização digital da dispersão cromática para sistemas de transmissão ótica baseados era deteção coerente de acordo com a reivindicação ns 1 caracter ízado por o número de coeficiente diferente do filtro FIR ser reduzido através de um processo de quantização, Ou seja, de redução a ura conjunto finito de níveis discretos.2 A digital equalization method of the chromatic dispersion to system optical transmission based was coherent detection according to claim paragraphs 1 ized character by the number of different coefficient of the FIR filter to be reduced through a quantization process, or reduction to a finite set of discrete levels. 3. Um .método de equalizaçã© digital, da dispersão cromática para sistemas de transmissão óticã baseados em deteção coerente de acordo com as reivíndícaçdes anteriores caracterízado por a parte real e imaginária dos coeficientes ser separada de modo a aumentar a suã multiplicidade.3. A digital equalization method of chromatic dispersion for coherent detection based optical transmission systems according to the preceding claims characterized in that the real and imaginary part of the coefficients is separated in order to increase their multiplicity. 4. Um método de. equalização digital da. dispersão cromática para sistemas de transmissão ótica baseados em deteção coerente de acordo com as reivindicaçóes anteriores caracterisado por ser usada a propriedade distributiva da multiplicação sobre a adição, sendo esta aplicada separadamente à parte real e à parte imaginária dos coeficientes do filtro FIR.4. A method of. digital equalization of. Chromatic dispersion for coherent detection based optical transmission systems according to the preceding claims, characterized in that the distributive property of multiplication over addition is used, which is applied separately to the real part and the imaginary part of the FIR filter coefficients. 5. Um método de equalização digital da dispersão cromática para sistemas de transmissão ótica baseados em deteção coerente de: acordo com as reivindicações anteriores caracterizado por as multiplicações serem implementadas apenas usando operações de adição e deslocamento: binário.A method of digital chromatic dispersion equalization for coherent detection based optical transmission systems of: according to the preceding claims characterized in that the multiplications are implemented only using addition and displacement: binary operations. 6. Um método de equali cação digital da dispersão cromática para sistemas de transmissão ótica baseados em deteção coerente de acordo com as reivindicações anteriores caraoterizado por ser constituído pelas seguintes etapas;A chromatic dispersion digital equalizing method for coherent detection based optical transmission systems according to the preceding claims is characterized in that it comprises the following steps; definição do número de níveis discretos para os coeficientes do filtro, fSrl, sendo Δ uma. potência de dois ϊ ~ soma dás amostras de entrada nas posições símétricás do filtro de modo a tirar partido do facto da resposta impulsionai do filtro ser simétrica;definition of the number of discrete levels for the filter coefficients, fSrl, where Δ is one. power of two ϊ sum of input samples at the symmetrical positions of the filter to take advantage of the fact that the impulse response of the filter is symmetrical; ~ encaminhamento: do resultado da soma simétrica para duas unidades de: controlo que atuam em paralelo;~ routing: from the result of the symmetrical sum to two units of: control acting in parallel; uma das unidades one of the units de in controlo < control < s responsável s responsible pelo fur processamento tendo processing taking em in conta a tell to parte real real part dos of coef.roient.es; coef.roient.es;
a outra. the other. unidade unity de in controlo é responsável control is responsible pelo fur p roc es samen to processing tendo by having em in conta a parte imaginária tells the imaginary part dos of
coeficientes;coefficients; os 2Δ resultados obtidos cipós a soma distributiva são processados usando 2Δ multiplicadores, implementado st. apenas com operações de deslocamento e adição, tirando partido do facto de Δ ser uma potência de dois; os resultados das operações de adição e deslocamento são somados, em dois somadores, um para a parte real dos coeficientes:, e outro para a parte imaginária dos coeficientes, sendo o resultado do somador correspondente à parte imaginária dos coeficientes, ainda multiplicado pela unidade: imaginária j.z antes da soma final.The 2Δ results obtained after the distributive sum are processed using 2Δ multipliers, implemented st. only with shift and add operations, taking advantage of the fact that Δ is a power of two; the results of the addition and displacement operations are summed in two adders, one for the real part of the coefficients :, and another for the imaginary part of the coefficients, with the result of the adder corresponding to the imaginary part of the coefficients, further multiplied by the unit: imaginary j. z before the final sum.
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US9020364B2 (en) * 2012-09-27 2015-04-28 Alcatel Lucent Optical receiver having a signal-equalization capability
US9264145B2 (en) * 2013-05-31 2016-02-16 Alcatel Lucent Optical receiver having a chromatic-dispersion compensation module with a multibranch filter-bank structure

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