Optimización del desempeño de sistemas DMT en enlaces de comunicaciones por fibra ópticas de alta capacidad.

Abstract

Este trabajo describe el desarrollo de un proceso para la optimización de sistemas DMT (Discrete Multi-Tone) usados en enlaces de comunicaciones ópticas con modulación de intensidad y detección directa. Inicialmente, se estudiaron los conceptos fundamentales que involucran al formato de modulación/multiplexación DMT y se analizaron sus ventajas al momento de ser aplicado a las comunicaciones ópticas de bajo costo y de corto alcance. Para mitigar la elevada relación potencia pico a potencia promedio (PAPR) de la señal DMT se opto por aplicar técnicas que involucran transformaciones no lineales: companding and clipping. Se diseñaron las funciones de compresión y expansión (companding) con el objetivo adicional de minimizar la distorsión introducida por un cuantizador y se lo comparó frente al recorte de señal (clipping). Considerando cuantizadores de 4, 6 y 8 bits, en primer lugar se evaluó la capacidad de reducción de PAPR de ambos sistemas a través de cálculos numéricos. Posteriormente, se requirió desarrollar un algoritmo de estimación y sincronismo para poder efectuar ensayos de laboratorio del sistema DMT eléctrico y óptico. Se obtuvieron resultados favorables de companding respecto a clipping en términos de la reducción del PAPR y el EVM (error vector magnitude) de las portadoras demoduladas. A continuación, se midieron las curvas de BER vs SNR para el sistema DMT óptico con ruido aditivo blanco Gaussiano, en donde se determino que para un dado BER, clipping requiere menor SNR que companding, salvo para el caso de 4 bits de cuantización con elevada relación señal a ruido (SNR≥25 dB). Se introdujo un parámetro importante de los sistemas DMT que operan con la técnica de bit loading: la relación señal a ruido por subportadora. Finalmente, se lograron transmitir datos a tasas de 907.9 Mbps, 1361.85 Mbps y 1588.25 Mbps usando DMT en una fibra óptica monomodo estándar con las subportadoras moduladas con 16-QAM, 64-QAM y 128-QAM, respectivamente. La optimización del sistema DMT por medio de companding permitió obtener una desviación estándar del error menor en el receptor, menor BER y, para una resolución del DAC de 4 bits, una mejora en el desempeño en términos de las curvas de BER vs SNR, respecto de clipping.

This work describes the development of an optimization process for DMT (Discrete Multi-Tone) systems used in optical communication links with intensity modulation and direct detection. To begin with, fundamental concepts which involves the DMT modulation/multiplexing format were studied and their advantages were analysed at the moment to be applied in low-cost and short-range optical communications. To mitigate the high peak-to-average power ratio (PAPR) of the DMT signal, techniques which involves non linear transforms were chosen: companding and clipping. Compressing and expanding functions (companding) were designed with the additional objective of minimizing the distortion introduced by a quantizer and it was compared against the signal clipping. Firstly, the capacity of PAPR reduction was evaluated by numerical calculations in both systems, considering quantizers of 4, 6 and 8 bits. Further, it was required to develop an algorithm of estimation and synchronization in order to perform laboratory experiences. Favourable results of companding against clipping were obtained in terms of PAPR reduction and EVM of modulated subcarriers. Next, they were obtained curves of BER vs SNR for optical DMT with additive white Gaussian noise, where it was determined that for a given BER, clipping requires lower SNR than companding, except for of 4 bits of quantization with high SNR (SNR≥25 dB). It was done an introduction of an significant parameter for DMT systems which operates with bit loading technique: the signal-to-carrier noise ratio. Finally, effective transmission rates of 907.9 Mbps, 1361.85 Mbps and 1588.25 Mbps were reached using DMT in standard single-mode optical fibre with the subcarriers modulated with 16-QAM,64-QAM and 128-QAM, respectively. The optimization of DMT system through companding allowed to obtain a smaller standard deviation of the error at the receiver, a lower BER and, for a 4 bit DAC resolution, a performance improvement in terms of the BER vs SNR curves, in respect of clipping.