28 de Junio de 2017
Universidad Tecnológica Nacional, Facultad Regional Buenos Aires
Laboratorio de Procesamiento Digital ...
• Introducción a OFDM
• Sistema OFDM óptico
• ADC de alta velocidad
• ADC interface
• Symbol Sync
• FFT
• Estimación de ca...
Introducción a OFDM
En sistemas de comunicaciones ópticas se está investigando en
utilizar modulación OFDM (Orthogonal Fre...
Introducción a OFDM
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 OFDM es un esquema de modulación multiportadora
donde todas las portadoras se transmiten simultáne...
Introducción a OFDM
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 Para eliminar la
interferencia
inter símbolo
(ISI) y la
interferencia
inter portadora
(ICI) se uti...
Introducción a OFDM
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 Para detectar el
comienzo temporal
del símbolo OFDM
se utilizan símbolos
de referencia.
 Para com...
Introducción a OFDM
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 Incrementando el ancho de banda
 Utilizando para portadoras con bajo SNR modulaciones de bajo ord...
Sistema OFDM óptico
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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
...
ADC
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 E2V EV10AQ190A
 QUAD 10-bit 1.25
Gsps ADC
 Analog Calibration
 Gain Control
 Offset Control
 Phase Control
 ...
ADC Interface
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16 muestras de 10 bits simultaneas a una frecuencia de 312,5 MHz
JSB
Sync.: Propuesta
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 Preámbulo repetitivo (WLAN IEEE 802.11 a/g)
 Robustez frente a
variaciones de amplitud
(CAG).
 Est...
Sync.: Propuesta
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 Preámbulo repetitivo (WLAN IEEE 802.11 a/g)
 Robustez frente a
variaciones de amplitud
(CAG).
 Est...
 Utilizar el signo del símbolo corto (SS) para evitar los multiplicadores [Canet
2012]
 Árbol de sumadores cableado
SS =...
Sync.: Análisis prec. finita
JSB 14
 Métrica para medir
prestaciones
 b = log2(Nss)-1
 c = b
 a: paramétro de ajuste
S...
Sync.: Implementación
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 FPGA Virtex-7 XC7VX485T-2.
 Número de Slice Registers = 1.690
 Número de Slice LUTs = 1.773
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FFT
 Discrete Fourier Transform (DFT)
 X[k] y x[n] son secuencias discretas
 Correlación cruzada
 N² sumas y multiplic...
FFT radix-4 DIF
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 Se particiona la sumatoria de la FFT en
4 partes
 Entradas en orden normal
 Salidas en orden de inv...
FFT tamaño fijo: Diseño
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 N=1024 y 16 entradas
y salidas.
 Parametrización rápida
y sencilla.
 Generación de factores...
FFT: Diseño de la Dragonfly
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Estimación del canal
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 Se transmite un símbolo (CL) de de 256 portadoras moduladas en
BPSK ({-1, 0, +1}) repetido 16 ve...
Demapper M-QAM
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b0 = data.Q < 2 &
data.Q >= -2;
b1 = data.Q < 0;
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data.I >= -2;
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OFDM Receiver: Resultados
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Bloque LUT LUT RAM FF BRAM DSP
Symbol Sync 1.221 97 1.773
Rem.CP & Mean LS 2.419 1.349 3.121
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OFDM Receiver: Resultados
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 Vivado 2015.3
 ADC 10 bits 5 Gsps
 FFT 1024 ptos
 M-QAM
 Memoria i...
Sistema OOFDM: Resultados
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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...
Sistema OOFDM: Resultados
25JSB
Sistema OOFDM: Resultados
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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...
Conclusiones
27
 Se obtuvo un sistema OFDM óptico en tiempo real que
puede trabajar a un tasa de muestreo de 5 Gsps y que...
Trabajos Futuros
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 Modulación externa para el laser
 electro-absorption (EA) modulator
IM/DD
JSB
Trabajos Futuros
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 DFT Spread
JSB
VLC-OFDM
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Periodic Noi...
Trabajos Futuros
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 Multi bandas
 TX: Ventanas de Nyquist 1, 2 y 3. DAC con R2Z
 RX: Filtro (2 GHz) + Track & Hold (4 ...
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Algoritmos y arquitecturas hardware para la implementación de OFDM en sistemas de comunicaciones ópticos utilizando FPGAs

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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.

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Algoritmos y arquitecturas hardware para la implementación de OFDM en sistemas de comunicaciones ópticos utilizando FPGAs

  1. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 10. ADC Interface 10 16 muestras de 10 bits simultaneas a una frecuencia de 312,5 MHz JSB
  11. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 19. FFT: Diseño de la Dragonfly 19JSB
  20. 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. 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. 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. 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. 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. 25. Sistema OOFDM: Resultados 25JSB
  26. 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. 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. 28. Trabajos Futuros 28  Modulación externa para el laser  electro-absorption (EA) modulator IM/DD JSB
  29. 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. 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. 31. https://www.linkedin.com/in/juliansbruno/ Muchas gracias por vuestra atención 31 JSB

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