Esta presentación se centra en la implementación de un sistema en tiempo real de comunicaciones óptico basado en modulación por intensidad y detección directa (IMDD) sobre fibra óptica mono modo (SSMF). Impulsado por el rápido avance de la tecnología de semiconductores, dispositivos de lógica programable (FPGAs), ADCs y DACs de alta velocidad (Gs/s) se han adoptado cada vez más para el procesamiento de digital de señales en las comunicaciones ópticas. Con estos dispositivos es posible implementar sistemas en tiempo real de muy alta velocidad, decenas de Gb/s, y probar técnicas de procesamiento digital para aumentar la tasa de datos. Comenzaremos con una breve introducción a lo qué es un sistema OFDM óptico y cuáles son sus desafíos y especificaciones. A continuación enumeraremos los bloques necesarios para la implementación de un transmisor y receptor OFDM óptico y haremos una breve descripción de sus funciones y problemas de implementación debido a la alta velocidad y el grado de paralelismo necesario para afrontar la alta tasa de datos. Por último, se presentarán los resultados obtenidos para diferentes longitudes de fibra óptica, comentaremos algunos inconvenientes del mundo real y expondremos las futuras líneas de trabajo.

1. 28 de Junio de 2017
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
Buenos Aires
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 utilizando FPGAs

2. • Introducción a OFDM
• Sistema OFDM óptico
• ADC de alta velocidad
• ADC interface
• Symbol Sync
• FFT
• Estimación de canal
• Demapper
• Resultados
• Conclusiones
• Trabajos Futuros
Índice
2JSB

3. Introducción a OFDM
En sistemas de comunicaciones ópticas se está investigando en
utilizar modulación OFDM (Orthogonal Frequency Division
Multiplexing) ya que permite compensar las distorsiones del
canal (EDC, CD y PMD) fácilmente.
 Multi Gbps.
 1 o varios ADCs
y DACs.
 Subportadoras
ortogonales.
 Detección
ventana FFT.
3JSB

4. Introducción a OFDM
4
 OFDM es un esquema de modulación multiportadora
donde todas las portadoras se transmiten simultáneamente.
 La superposición de la subportadoras moduladas se logra
mediante la Transformada Discreta de Fourier Inversa
(IDFT).
JSB

5. Introducción a OFDM
5
 Para eliminar la
interferencia
inter símbolo
(ISI) y la
interferencia
inter portadora
(ICI) se utiliza un
prefijo cíclico.JSB

6. Introducción a OFDM
6
 Para detectar el
comienzo temporal
del símbolo OFDM
se utilizan símbolos
de referencia.
 Para compensar
las variaciones de
amplitud y fase
del canal se
utilizan
subportadoras
pilotos.
JSB

7. Introducción a OFDM
7
 Incrementando el ancho de banda
 Utilizando para portadoras con bajo SNR modulaciones de bajo orden en lugar de
apagarlas.
 Aumentando la tasa de muestreo.
 Limitación en los conversores AD/DA comerciales
 Frecuencia máxima de trabajo de la FPGAs
 Respuesta en frecuencia de los elementos analógicos (amplificadores, filtros, etc)
 Aumentando la eficiencia espectral (bit/s/Hz)
 Seleccionando la portadoras con mejor SNR y utilizando altos índices de modulación
subutilizando la tasa de muestreo disponible.
 Disminuyendo el tamaño del prefijo cíclico (Ncp) y del símbolo de referencia.
¿Cómo se pueden mejorar las prestaciones de un
sistema OFDM?
𝑇𝑠𝑦𝑚𝑏 = (𝑁𝑐𝑝 + 𝑁𝑠𝑐)/𝐹𝑠 𝐵𝑖𝑡𝑟𝑎𝑡𝑒 = (𝑁 𝑢𝑠𝑐× 𝑏 𝑚𝑜𝑑)/ 𝑇𝑠𝑦𝑚𝑏
JSB

8. Sistema OFDM óptico
8
OFDM
Nsc=1024
Nusc=490
Ncp=16
M-QAM
Fs=5 Gsps
Fibra
Monomodo
16 ps/nm/km
-0.18 dBm/km
D=10/20/50 km
λ=1550 nm
JSB

9. ADC
9
 E2V EV10AQ190A
 QUAD 10-bit 1.25
Gsps ADC
 Analog Calibration
 Gain Control
 Offset Control
 Phase Control
 Digital Calibration
 Test Modes (Ramp,
Flashing)
JSB

10. ADC Interface
10
16 muestras de 10 bits simultaneas a una frecuencia de 312,5 MHz
JSB

11. Sync.: Propuesta
11
 Preámbulo repetitivo (WLAN IEEE 802.11 a/g)
 Robustez frente a
variaciones de amplitud
(CAG).
 Estimación de offset de
frecuencia de portadora.
 Estimación de canal.
 Basado en la correlación cruzada
Alta carga
computacional
JSB

12. Sync.: Propuesta
12
 Preámbulo repetitivo (WLAN IEEE 802.11 a/g)
 Robustez frente a
variaciones de amplitud
(CAG).
 Estimación de offset de
frecuencia de portadora.
 Estimación de canal.
 Basado en la correlación cruzada
Alta carga
computacional
JSB

13.  Utilizar el signo del símbolo corto (SS) para evitar los multiplicadores [Canet
2012]
 Árbol de sumadores cableado
SS = {+1, +1, +1, +1, +1, −1, −1, +1, +1, +1, +1, −1, −1, −1, −1, −1,
−1, −1, −1, −1, −1, −1, +1,+1, +1, −1, −1, −1, +1, −1, −1, −1}
 Elección del tamaño de SS (Nss)
 Elección del valor α para evitar multiplicadores
Sync.: Optimización
JSB 13

14. Sync.: Análisis prec. finita
JSB 14
 Métrica para medir
prestaciones
 b = log2(Nss)-1
 c = b
 a: paramétro de ajuste
SNR = 3,6 dB para BER de 10-2 con QPSK
Sin errores con 20% redundancia para soft decision y con
7% redundancia para hard decision
Para Nss = 32, a=1 , b=6 y c=6

15. Sync.: Implementación
15
 FPGA Virtex-7 XC7VX485T-2.
 Número de Slice Registers = 1.690
 Número de Slice LUTs = 1.773
 Frecuencia máxima de operación de 464.253 MHz
 Tasa de muestreo de hasta 7,4 Gs/sJSB

16. FFT
 Discrete Fourier Transform (DFT)
 X[k] y x[n] son secuencias discretas
 Correlación cruzada
 N² sumas y multiplicaciones complejas
𝑥 𝑛 =
1
𝑁
෍
𝑛=0
𝑁−1
𝑋 𝑘 𝑒
𝑗2𝜋𝑘𝑛
𝑁 𝑘 = 0, 1, 2, … , 𝑁 − 1 IDFT𝑋 𝑘 = ෍
𝑛=0
𝑁−1
𝑥 𝑛 𝑒−
𝑗2𝜋𝑘𝑛
𝑁 𝑘 = 0, 1, 2, … , 𝑁 − 1 DFT
𝑊𝑁
𝑘
= 𝑒−𝑗2𝜋𝑘/𝑁
𝐹𝑎𝑐𝑡𝑜𝑟 𝑑𝑒 𝑟𝑜𝑡𝑎𝑐𝑖ó𝑛
𝑊𝑁
𝑘+𝑁/2
= −𝑊𝑁
𝑘
𝑆𝑖𝑚𝑒𝑡𝑟í𝑎
𝑊𝑁
𝑘+𝑁
= 𝑊𝑁
𝑘
𝑃𝑒𝑟𝑖𝑜𝑑𝑖𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑
𝑒−
𝑗2𝜋𝑘𝑛
𝑁 = cos(2𝜋𝑘𝑛/𝑁) − 𝑗𝑠𝑒𝑛(2𝜋𝑘𝑛/𝑁)
 Fast Fourier Transform (FFT)
 Implementación eficiente de la DFT
 Diezmado en tiempo o frecuencia
 Radix-r
 𝑁𝑙𝑜𝑔 𝑟(𝑁) sumas complejas
 (1 − 1/r)𝑁𝑙𝑜𝑔 𝑟(𝑁) multiplicaciones complejas
16
𝑙𝑜𝑔 𝑟(𝑁)/𝑁
(1 − 1/r)𝑙𝑜𝑔 𝑟(𝑁)/𝑁
JSB

17. FFT radix-4 DIF
17
 Se particiona la sumatoria de la FFT en
4 partes
 Entradas en orden normal
 Salidas en orden de inversión de dígito
 Número de etapas: log4(𝑁)
 Mariposas por etapa: 𝑁/4
 Dependencia del EC_x_y con 4 ECs
anteriores
 4 tipos de arquitecturas
 Mariposa radix-4 o Dragonfly
 12 sumas complejas
 3 multiplicaciones complejas
 8 multiplicaciones triviales ( j, –j, -1)
JSB

18. FFT tamaño fijo: Diseño
18
 N=1024 y 16 entradas
y salidas.
 Parametrización rápida
y sencilla.
 Generación de factores
de rotación
independientes por
camino de datos.
 Segmentación interna.
 Compensación de
retardos de las señales
de datos y control.
 Librería de módulos
parametrizables con
System Generator.
 Autogeneración de
diagramas Simulink.
JSB

19. FFT: Diseño de la Dragonfly
19JSB

20. Estimación del canal
20
 Se transmite un símbolo (CL) de de 256 portadoras moduladas en
BPSK ({-1, 0, +1}) repetido 16 veces.
 Se promedian en el tiempo los 16 símbolos recibidos y se calcula
el espectro (Cx).
 Cx* es el conjugado de Cx y no es más que una inversión de
signo. El producto de este con CL no es más que otro cambio de
signo
 CL es conocido y se almacena en una ROM.
 La inversa de la energía de Cx se calcula mediante una ROM.
 Una vez obtenida la inversa del canal se realiza un upsampling
x4 y una interpolación lineal, obteniendo así un de 1024.
 La respuesta inversa del canal se almacena en una RAM.JSB

21. Demapper M-QAM
21
b0 = data.Q < 2 &
data.Q >= -2;
b1 = data.Q < 0;
b2 = data.I < 2 &
data.I >= -2;
b3 = data.I >= 0;
JSB

22. OFDM Receiver: Resultados
22
Bloque LUT LUT RAM FF BRAM DSP
Symbol Sync 1.221 97 1.773
Rem.CP & Mean LS 2.419 1.349 3.121
FFT 13.368 2.955 31.564 100 192
Est. Ch & Comp. 4.196 998 8.543 12 128
Demapper 305 1 354 32
Total
22.984
7,6 %
5.495
4,2 %
45.982
7,6 %
112
10,9 %
352
12,6 %
Bloque LUT LUT RAM FF BRAM DSP
ADC Interface
Gb Ethernet
Misc
10.396
3,42 %
86
0,07 %
11.200
1,84 %
234,5
22,77 %
0
JSB

23. OFDM Receiver: Resultados
23
 xc7vx485tffg1761-2
 Vivado 2015.3
 ADC 10 bits 5 Gsps
 FFT 1024 ptos
 M-QAM
 Memoria interna de
2^20 (1M)
portadoras (8 bits)
JSB

24. Sistema OOFDM: Resultados
24
OFDM
Nsc=1024
Nusc=490
Ncp=16
M-QAM
Fs=5 Gsps
Fibra
Monomodo
16 ps/nm/km
-0.18 dBm/km
D=10/20/50 km
λ=1550 nm
JSB

25. Sistema OOFDM: Resultados
25JSB

26. Sistema OOFDM: Resultados
26
Canal BER
OB2B 1.3 x10-3
10 km 1.3 x10-3
20 km 2.5 x10-3
40 km 1.55x10-2
Bitrate = 18.68 Gb/s
SE = 7.823 bit/s/Hz
BW = 2.388 GHz
OFDM
Nsc=1024
Nusc=490
Ncp=16
M-QAM
Fs=5 Gsps
JSB

27. Conclusiones
27
 Se obtuvo un sistema OFDM óptico en tiempo real que
puede trabajar a un tasa de muestreo de 5 Gsps y que
puede servir como banco de pruebas para diferentes
modulaciones y canales ópticos.
 Utilizando correctores de errores (FEC) se puede reducir la
tasa de errores hasta 1x10-15.
 Hard Decision: 3,8 x10-3 7% overhead
 Soft Decision: 2,4 x10-2 20% overhead
Con estos umbrales se podrían utilizar índices de modulación más
altos o aumentar la distancia de la fibra.
 Las tasas binarias y la eficiencia espectral obtenidas es
superior a la de los trabajos publicados desde 2014
hasta la actualidad. Los recursos hardware requeridos son
levemente inferiores.
JSB

28. Trabajos Futuros
28
 Modulación externa para el laser
 electro-absorption (EA) modulator
IM/DD
JSB

29. Trabajos Futuros
29
 DFT Spread
JSB
VLC-OFDM
R. Deng et al., "A Serial IFFT Precoding Scheme to Mitigate the
Periodic Noise in OFDM System," in IEEE Communications Letters,
vol. 20, no. 7, pp. 1301-1304, July 2016.

30. Trabajos Futuros
30
 Multi bandas
 TX: Ventanas de Nyquist 1, 2 y 3. DAC con R2Z
 RX: Filtro (2 GHz) + Track & Hold (4 Gsps 18 GHz) + ADC (4 Gsps)
JSB

31. https://www.linkedin.com/in/juliansbruno/
Muchas gracias por vuestra atención
31
JSB