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Experimentelle Untersuchung der OFDM-Übertragung mit direkt moduliertem
Laser für das Zugangsnetz
ITG-Workshop 2013
Semjon Schaefer, Johannes von Hoyningen-Huene und Werner Rosenkranz
Lehrstuhl für Nachrichten- und Übertragungstechnik Technische Fakultät
Christian-Albrechts-Universität zu Kiel
-2- Chair for Communications
Lehrstuhl für Nachrichten- und Übertragungstechnik
Gliederung
1. Nachrichtenübertragung mit direkter Modulation (DM)
2. Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM)
3. Experimenteller Aufbau von DM-OFDM
4. Messergebnisse
4.1. 2,5 Gb/s DML 4.2. 10 Gb/s CML
5. Zusammenfassung
-3- Chair for Communications
Lehrstuhl für Nachrichten- und Übertragungstechnik
Motivation der Nachrichtentechnik: Steigende Nachfrage nach schnellerem und kostengünstigerem Datenverkehr Bisher: Datenraten bis 100 Gb/s in der kommerziellen optischen Nachrichtenübertragung nur mit EML möglich
EML Vorteil - Hohe max. Modulationsbandbreite - Geringer bis kein Chirp Nachteil - Teure Ausstattung
1. Nachrichtenübertragung mit direkter Modulation (DM)
DML Vorteil - Klein und kostengünstig - Energiesparend Nachteil - Geringere Modulationsbandbreite - Starker Chirp
DML für kurze Übertragungsdistanzen interessant (z.B. Access-Bereich)
Data
MZM
Data
Kanal
CW
Data Kanal
DML
-4- Chair for Communications
Lehrstuhl für Nachrichten- und Übertragungstechnik
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 0
2
4
6
Zeit [ns]
P op
t [mW
] Dynamikverhalten des DML: Intensität u. Chirp
Verzögerte Reaktion Ein- und Ausschwingverhalten
Limitiert die Bandbreite
Abhängigkeit der optischen Frequenz des Lasers von seiner Ausgangsleistung = Chirp
Ursache für Dispersion
IDML
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 -15
0
15
30
Zeit [ns]
Chi
rp [G
Hz]
Numerische Lösung der Ratengleichung:
-5- Chair for Communications
Lehrstuhl für Nachrichten- und Übertragungstechnik
2. Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM)
OFDM = Orthogonal Frequency Division Multiplexing Mehrträgerverfahren = Aufteilung der Information auf mehrere Subträger Subträger liegen orthogonal zu einander
Vermeidung von Crosstalk
Vorteile: Hohe spektrale Effizienz Einfache Entzerrung
Nachteile: Aufwand (durch DSP) Hohe Spitzenwerte (PAPR)
Digitale Realisierung:
-6- Chair for Communications
Lehrstuhl für Nachrichten- und Übertragungstechnik
Reell
3. Experimenteller Aufbau von DM-OOFDM
Setup: FFT: 512 #SC: 100 Gap: 100 fDAC: 10 GHz Bias: 30 mA
Sender:
Empfänger:
Offline DSP DAC
AWG 7122C
Bias
DML
Ausgang PD:
-5 0 5-120
-100
-80
-60
PSD
[dB]
f [GHz]
2 GHz
Ohne Chirp
-5 0 5-120
-100
-80
-60
PSD
[dB]
f [GHz]-5 0 5 10
-100
-80
-60
-40
PSD
[dB]
f [GHz]
Mit Chirp
ADC
DPO 72004
Offline DSP PD
DSC R401HG -5 0 5-80
-60
-40
-20
PSD
[dB]
f [GHz]
2 GHz
0 10 20 30 400
2
4
Bias [mA]
Chi
rp [G
Hz]
-7- Chair for Communications
Lehrstuhl für Nachrichten- und Übertragungstechnik
Experimenteller Aufbau mit CML
Sender:
Empfänger: AWG 7122C
Offline DSP
DAC
DAC Elekt. IQ-Modulator
Re
Im
Bias
2,5 GHz CML 10 Gb/s CML
IQ-Demodulator
2,5 GHz
DSP
Offline
ADC
DPO 72004
PD
DSC R401HG
Hohe Bandbreite des verwendeten CML erlaubt Anwendung des IQ-Modulators Pro: Volle (I)FFT belegbar Contra: 2 DACs und IQ-Modulator nötig Halbe Abtast- für gleiche Datenrate
-8- Chair for Communications
Lehrstuhl für Nachrichten- und Übertragungstechnik
Chirp managed laser (CML)
Kombination aus: 10 Gb/s DFB-Laser Optical Spectral Reshaper (OSR) Temp.1 für Trägerverschiebung Temp.2 für Filterverschiebung
DFB OSR
(period. BP-Filter)
Bias Temp. 1 Temp. 2
CML-Package
Gemessene Filterstruktur
50 GHz fFWHM ≈ 6 GHz
Gemessenes SSB
SSB Träger
f
Extinction ratio wird vergrößert Dispersionseinfluss wird verringert
-9- Chair for Communications
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Parameter offline processing
Setup: Parameter DML CML FFT-Länge NFFT 512 512 Subträger SC 128 128-320 Cyclic Pre/Postfix CP 2/2 2/2 Trainingssymbole pro OFDM-Frame TS
4 4
Datensymbole pro OFDM-Frame DS 32 32 M-QAM M = 4, 8, 16 M = 4, 8, 16 Abtastfrequenz fDAC 12 GHz 12 / 24 GHz
Aufbau mit CML zusätz. mit IQ-Mod./ Demod.
-10- Chair for Communications
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4.1. Messergebnisse mit DML
25 km 0 km 100 km
Optimaler Bias variiert je nach Aussteuerung und Distanz Hohe Aussteuerung verbessert das BER
Bias-Optimierung für 4-QAM Übertragung (6 Gb/s) Signal-Clipping an Schwelle vs. Zu hohes Träger-Signal-Verhältnis
0 10 20 30 400
2
4
Bias [mA]
PO
pt [m
W]
-11- Chair for Communications
Lehrstuhl für Nachrichten- und Übertragungstechnik
Maximale Übertragungskapazität des DML (B2B)
5 dB
10 dB
Setup: #SC: 128 FFT: 512 fDAC = 12 GHz ISTD = 11 mA DRBrutto= 6/9/12 Gb/s Faserlänge: 0 km
6 Gb/s
9 Gb/s
12 Gb/s
-12- Chair for Communications
Lehrstuhl für Nachrichten- und Übertragungstechnik
Optimierung der 16-QAM-Übertragung
ΔEVM=12,13
ΔEVM=26,04 BER=2,34e-2 (@30dB OSNR)
BER=4,47e-4 (@30dB OSNR) Linear ansteigende Verstärkung ab Subträger 90
Power Loading = Leistungsanpassung einzelner Subträger
Ohne Power Loading:
Erhebliche Signalver-besserung durch PL möglich Geeignetes PL kann mit EVM- Diagramm geschätzt werden
4
1 Vers
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Re
Im
-13- Chair for Communications
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Vergleich CML (Labor) und EML (Simulation)
4.2. Messergebnisse mit CML
Vergleich ohne und mit IQ-Modulator, 100 km, 4-QAM Ohne IQ-Modulator, 24 GHz Abtastrate Mit IQ-Modulator, je 12 GHz Abtastrate
Verbesserung um ca. 3 dB bei gleicher Datenrate
DRBrutto,128 = 12 Gb/s
DRBrutto,256 = 12 Gb/s
• Setup:100 km, 256 Subträger
• EML um ca. 4 dB besser
-14- Chair for Communications
Lehrstuhl für Nachrichten- und Übertragungstechnik
30G DM-OOFDM Übertragung mit CML
Maximal erreichte Datenrate L = 50 km, 16-QAM, 512 FFT, 320 Subträger, fDAC = 12 GHz
DRBrutto = 30 Gb/s für BER = 3*10-3
DRNetto = DRBrutto * 0,88 = 26,5 Gb/s
Reichweitenmessung in Abhängigkeit des Modulationsformats:
Nahezu konstantes OSNR (256 SC, fDAC = 12 GHz, DR = 6 GS/s)
-15- Chair for Communications
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5. Zusammenfassung
Kombination des günstigen DML mit der Effizienz von OFDM
Datenraten von ca. 30 Gb/s bis 50 km Faserlänge experimentell erzielt
Signalbeeinträchtigungen überwiegend durch den Chirp (DML)
Einfluss des Chirps durch Einseitenbandfilterung im CML minimiert
Alternative zur externen Modulation auf kurzen Übertragungsstrecken
-16- Chair for Communications
Lehrstuhl für Nachrichten- und Übertragungstechnik
Vielen Dank!