Digital equalization techniques for the compensation of nonlinear impairments in long-haul coherent optical communication systems
In 2008, the commercialization by Nortel of coherent optical communications digital transceivers operating at 40 Gb/s using Differential Phase Shift Keying (DPSK) revolutionized the field of fiber-optic communications because it provided superior spectral efficiency compared to the state-of-the-art...
Κύριος συγγραφέας: | |
---|---|
Άλλοι συγγραφείς: | |
Μορφή: | Thesis |
Γλώσσα: | English |
Έκδοση: |
2018
|
Θέματα: | |
Διαθέσιμο Online: | http://hdl.handle.net/10889/11668 |
id |
nemertes-10889-11668 |
---|---|
record_format |
dspace |
institution |
UPatras |
collection |
Nemertes |
language |
English |
topic |
Coherent optical telecommunication systems Nonlinear equalizers Σύμφωνα οπτικά τηλεπικοινωνιακά συστήματα Μη γραμμικοί εξισωτές 621.382 75 |
spellingShingle |
Coherent optical telecommunication systems Nonlinear equalizers Σύμφωνα οπτικά τηλεπικοινωνιακά συστήματα Μη γραμμικοί εξισωτές 621.382 75 Βγενοπούλου, Βασιλική Digital equalization techniques for the compensation of nonlinear impairments in long-haul coherent optical communication systems |
description |
In 2008, the commercialization by Nortel of coherent optical communications digital transceivers operating at 40 Gb/s using Differential Phase Shift Keying (DPSK) revolutionized the field of fiber-optic communications because it provided superior spectral efficiency compared to the state-of-the-art binary intensity-modulation direct-detection receivers. A precursor to this development was the introduction in the early 2000 of differential phase shift keying in conjunction with a direct-detection using a delay interferometer. The advantages of latter modulation formats were the following: a) it allowed more efficient bandwidth utilization due to its superior spectral efficiency compared to on-off keying; b) it was more resilient to fiber transmission impairments (i.e., Chromatic Dispersion (CD), Polarization Mode Dispersion (PMD), fiber nonlinearities) due to its more compact spectrum and constant envelope compared to on-off keying. Nonetheless, fiber-optic communication systems using DPSK were severely degraded by nonlinear phase noise. One way to quantify this system degradation is to accurately derive the nonlinear phase noise statistics. In previously-published articles the characteristic function of the nonlinear phase noise was calculated analytically and the Probability Density Function (PDF) of the nonlinear phase noise was calculated numerically using the Fast Fourier Transform (FFT). In this thesis, we derive an analytical expression of the PDF using the method of steepest descent in a fiber-optic communication system employing M-DPSK with direct detection. The accuracy of our approximation is by far superior to the numerical method providing great accuracy at the PDF tails from where the error probability can be determined.
Nowadays, high-speed, high-spectral efficiency, coherent optical communication systems use advanced modulation formats, such as 16 and 64 Quadrature Amplitude Modulation (QAM) in order to achieve 400 Gb/s and 1 Tb/s per channel. Major transmission impairments e.g., CD, PMD and Self-Phase Modulation (SPM) can be compensated using electronic equalization. Fiber nonlinearities such as nonlinear phase noise, and inter-channel four wave mixing are not compensated and can severely limit the maximum transmission reach.
Over the past few years, Space Division Multiplexing (SDM) utilizing multicore or Few- Mode Fibers (FMFs) have been studied intensively as a potential candidate for increasing link capacity beyond 1 Tb/s. It is anticipated that the deployment of SDM along with the Multiple-Input Multiple-Output (MIMO) nonlinear equalizers can further extend link capacity.
Digital nonlinear equalization techniques fall into two categories: a) Pre-compensation techniques at the optical transmitter that render the signal propagation more resilient to fiber nonlinearities and b) post-compensation techniques at the optical receiver, based on Digital Signal Processing (DSP), applied to the distorted signal after propagation. The latter category includes a fully numerical method called Digital Backpropagation (DBP) and a semi-analytical method based on Volterra series. These methods have been applied to the equalization of nonlinear distortion in optical super-channels either on a channel-by-channel or on a multi-channel basis. Recently-published results have revealed that a multi-channel equalization scheme, using 80 steps-per-span DBP, provides up to 3.8 dB Q^2- factor improvement after ~ 3,200 km of transmission reach. However, this impressive performance is achieved at the expense of computational complexity since many samples per symbol are required.
Considering the potential of nonlinear equalizers in the field of SDM coherent optical communication systems, previous publications have shown that linear impairments such as Differential Mode Group Delay (DMGD) and mode coupling, can be almost completely eliminated by linear MIMO-DSP techniques. Nonetheless, inter-modal nonlinearities can still limit the maximum reach in these systems. Even though nonlinear equalization techniques have been studied for dual-polarization standard single-mode fibers and six-mode fibers with two modes, to the best of our knowledge, no scalable MIMO beyond 2×2 has been presented until now for nonlinearity mitigation.
In this dissertation, we study the performance of Volterra-based equalizers when applied in channel-by-channel and in multi-channel equalization in single-mode fiber systems. In addition, we study Volterra-based MIMO nonlinear equalizers, beyond 2×2, which, to the best of our knowledge, is done for the first time.
More specifically, first, we compare, both experimentally and by simulation, the performance of a nonlinear equalizer using 3rd-order inverse Volterra series transfer function and a nonlinear equalizer based on DBP-Split-Step Fourier (SSF) method in a coherent optical communication system using 400 Gb/s coherent 16QAM Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) super-channels. Both studies show a ~ 0.3 dB Q^2-factor improvement, compared to the linear equalization case, in the presence of inter-channel nonlinearities, generated by adjacent channels carrying either single-carrier or multi-carrier modulation formats. Then, the computational complexity of the nonlinear algorithms is estimated and is shown that, in all cases, the multi-step-per-span DBP-SSF is slightly superior to the other nonlinear equalizer but at the vast expense of computational complexity.
Second, we conduct a comparison study between the performance of a 3rd -order inverse Volterra series transfer function nonlinear equalizer and the performance of the single-step-per span and multistep-per-span DBP equalizer performing in multi-channel equalization after more than 1,000 km of a single-mode fiber link. Until now, many studies have shown that the Volterra-based nonlinear equalizers, which are essentially implemented with a single-step-per-span, are inferior compared to the single-step-per span DBP in single-channel equalization. On the contrary, we show that the inverse Volterra nonlinear equalizer performs similarly to the highly-complex DBP-SSF equalizer even with 40 samples per symbol in the case of multi-channel equalization. We demonstrate this in simulations of a 400 Gb/s, dual-polarization, 16QAM, quasi-Nyquist, multiplexed OFDM super-channel, after 1,600 km transmission distance.
Finally, we develop a MIMO 3rd-order inverse Volterra series transfer function nonlinear equalizer for a long-haul, FMF coherent optical communication system. Even though DBP technique has prevailed as the method of choice for nonlinear compensation in single-mode fiber systems, it has been shown that the single-step-per span inverse Volterra series transfer function nonlinear equalizer exhibits similar performance to much more complex multi-step-per-span DBP in multi-channel equalization. Our aim is to discover, via extensive numerical simulations, the maximum number of propagating modes for which the 3rd-order inverse Volterra series transfer function MIMO nonlinear equalizer can still provide decent compensation (i.e., at least 1 dB Q^2-factor improvement compared to linear equalization) of the nonlinear effects. Our results show that a ~ 1 dB Q^2-factor improvement can be achieved for 16QAM spatial super-channels of total capacity 6×32 Gbaud after propagation through 1,040 km of an FMF link. Our study is completed with the evaluation of the computational complexity of the nonlinear equalizers under study. |
author2 |
Οικονόμου, Γεώργιος |
author_facet |
Οικονόμου, Γεώργιος Βγενοπούλου, Βασιλική |
format |
Thesis |
author |
Βγενοπούλου, Βασιλική |
author_sort |
Βγενοπούλου, Βασιλική |
title |
Digital equalization techniques for the compensation of nonlinear impairments in long-haul coherent optical communication systems |
title_short |
Digital equalization techniques for the compensation of nonlinear impairments in long-haul coherent optical communication systems |
title_full |
Digital equalization techniques for the compensation of nonlinear impairments in long-haul coherent optical communication systems |
title_fullStr |
Digital equalization techniques for the compensation of nonlinear impairments in long-haul coherent optical communication systems |
title_full_unstemmed |
Digital equalization techniques for the compensation of nonlinear impairments in long-haul coherent optical communication systems |
title_sort |
digital equalization techniques for the compensation of nonlinear impairments in long-haul coherent optical communication systems |
publishDate |
2018 |
url |
http://hdl.handle.net/10889/11668 |
work_keys_str_mv |
AT bgenopouloubasilikē digitalequalizationtechniquesforthecompensationofnonlinearimpairmentsinlonghaulcoherentopticalcommunicationsystems AT bgenopouloubasilikē technikespsēphiakēsdiamorphōsēsgiatēnantimetōpisētōnmēgrammikōnphainomenōnsesystēmataoptikōninōnmegalōnapostaseōn |
_version_ |
1771297160782938112 |
spelling |
nemertes-10889-116682022-09-05T05:37:50Z Digital equalization techniques for the compensation of nonlinear impairments in long-haul coherent optical communication systems Τεχνικές ψηφιακής διαμόρφωσης για την αντιμετώπιση των μη γραμμικών φαινομένων σε συστήματα οπτικών ινών μεγάλων αποστάσεων Βγενοπούλου, Βασιλική Οικονόμου, Γεώργιος Ρούδας, Ιωάννης Μπερμπερίδης, Κωνσταντίνος Jaouen, Yves Καμαλάκης, Θωμάς Μαδαμόπουλος, Νικόλαος Συγκλέτος, Στυλιανός Οικονόμου, Γεώργιος Vgenopoulou, Vassiliki Coherent optical telecommunication systems Nonlinear equalizers Σύμφωνα οπτικά τηλεπικοινωνιακά συστήματα Μη γραμμικοί εξισωτές 621.382 75 In 2008, the commercialization by Nortel of coherent optical communications digital transceivers operating at 40 Gb/s using Differential Phase Shift Keying (DPSK) revolutionized the field of fiber-optic communications because it provided superior spectral efficiency compared to the state-of-the-art binary intensity-modulation direct-detection receivers. A precursor to this development was the introduction in the early 2000 of differential phase shift keying in conjunction with a direct-detection using a delay interferometer. The advantages of latter modulation formats were the following: a) it allowed more efficient bandwidth utilization due to its superior spectral efficiency compared to on-off keying; b) it was more resilient to fiber transmission impairments (i.e., Chromatic Dispersion (CD), Polarization Mode Dispersion (PMD), fiber nonlinearities) due to its more compact spectrum and constant envelope compared to on-off keying. Nonetheless, fiber-optic communication systems using DPSK were severely degraded by nonlinear phase noise. One way to quantify this system degradation is to accurately derive the nonlinear phase noise statistics. In previously-published articles the characteristic function of the nonlinear phase noise was calculated analytically and the Probability Density Function (PDF) of the nonlinear phase noise was calculated numerically using the Fast Fourier Transform (FFT). In this thesis, we derive an analytical expression of the PDF using the method of steepest descent in a fiber-optic communication system employing M-DPSK with direct detection. The accuracy of our approximation is by far superior to the numerical method providing great accuracy at the PDF tails from where the error probability can be determined. Nowadays, high-speed, high-spectral efficiency, coherent optical communication systems use advanced modulation formats, such as 16 and 64 Quadrature Amplitude Modulation (QAM) in order to achieve 400 Gb/s and 1 Tb/s per channel. Major transmission impairments e.g., CD, PMD and Self-Phase Modulation (SPM) can be compensated using electronic equalization. Fiber nonlinearities such as nonlinear phase noise, and inter-channel four wave mixing are not compensated and can severely limit the maximum transmission reach. Over the past few years, Space Division Multiplexing (SDM) utilizing multicore or Few- Mode Fibers (FMFs) have been studied intensively as a potential candidate for increasing link capacity beyond 1 Tb/s. It is anticipated that the deployment of SDM along with the Multiple-Input Multiple-Output (MIMO) nonlinear equalizers can further extend link capacity. Digital nonlinear equalization techniques fall into two categories: a) Pre-compensation techniques at the optical transmitter that render the signal propagation more resilient to fiber nonlinearities and b) post-compensation techniques at the optical receiver, based on Digital Signal Processing (DSP), applied to the distorted signal after propagation. The latter category includes a fully numerical method called Digital Backpropagation (DBP) and a semi-analytical method based on Volterra series. These methods have been applied to the equalization of nonlinear distortion in optical super-channels either on a channel-by-channel or on a multi-channel basis. Recently-published results have revealed that a multi-channel equalization scheme, using 80 steps-per-span DBP, provides up to 3.8 dB Q^2- factor improvement after ~ 3,200 km of transmission reach. However, this impressive performance is achieved at the expense of computational complexity since many samples per symbol are required. Considering the potential of nonlinear equalizers in the field of SDM coherent optical communication systems, previous publications have shown that linear impairments such as Differential Mode Group Delay (DMGD) and mode coupling, can be almost completely eliminated by linear MIMO-DSP techniques. Nonetheless, inter-modal nonlinearities can still limit the maximum reach in these systems. Even though nonlinear equalization techniques have been studied for dual-polarization standard single-mode fibers and six-mode fibers with two modes, to the best of our knowledge, no scalable MIMO beyond 2×2 has been presented until now for nonlinearity mitigation. In this dissertation, we study the performance of Volterra-based equalizers when applied in channel-by-channel and in multi-channel equalization in single-mode fiber systems. In addition, we study Volterra-based MIMO nonlinear equalizers, beyond 2×2, which, to the best of our knowledge, is done for the first time. More specifically, first, we compare, both experimentally and by simulation, the performance of a nonlinear equalizer using 3rd-order inverse Volterra series transfer function and a nonlinear equalizer based on DBP-Split-Step Fourier (SSF) method in a coherent optical communication system using 400 Gb/s coherent 16QAM Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) super-channels. Both studies show a ~ 0.3 dB Q^2-factor improvement, compared to the linear equalization case, in the presence of inter-channel nonlinearities, generated by adjacent channels carrying either single-carrier or multi-carrier modulation formats. Then, the computational complexity of the nonlinear algorithms is estimated and is shown that, in all cases, the multi-step-per-span DBP-SSF is slightly superior to the other nonlinear equalizer but at the vast expense of computational complexity. Second, we conduct a comparison study between the performance of a 3rd -order inverse Volterra series transfer function nonlinear equalizer and the performance of the single-step-per span and multistep-per-span DBP equalizer performing in multi-channel equalization after more than 1,000 km of a single-mode fiber link. Until now, many studies have shown that the Volterra-based nonlinear equalizers, which are essentially implemented with a single-step-per-span, are inferior compared to the single-step-per span DBP in single-channel equalization. On the contrary, we show that the inverse Volterra nonlinear equalizer performs similarly to the highly-complex DBP-SSF equalizer even with 40 samples per symbol in the case of multi-channel equalization. We demonstrate this in simulations of a 400 Gb/s, dual-polarization, 16QAM, quasi-Nyquist, multiplexed OFDM super-channel, after 1,600 km transmission distance. Finally, we develop a MIMO 3rd-order inverse Volterra series transfer function nonlinear equalizer for a long-haul, FMF coherent optical communication system. Even though DBP technique has prevailed as the method of choice for nonlinear compensation in single-mode fiber systems, it has been shown that the single-step-per span inverse Volterra series transfer function nonlinear equalizer exhibits similar performance to much more complex multi-step-per-span DBP in multi-channel equalization. Our aim is to discover, via extensive numerical simulations, the maximum number of propagating modes for which the 3rd-order inverse Volterra series transfer function MIMO nonlinear equalizer can still provide decent compensation (i.e., at least 1 dB Q^2-factor improvement compared to linear equalization) of the nonlinear effects. Our results show that a ~ 1 dB Q^2-factor improvement can be achieved for 16QAM spatial super-channels of total capacity 6×32 Gbaud after propagation through 1,040 km of an FMF link. Our study is completed with the evaluation of the computational complexity of the nonlinear equalizers under study. To 2008 εμφανίστηκαν τα πρώτα εμπορικά σύμφωνα οπτικά τηλεπικοινωνιακά συστήματα στα οποία εφαρμοζόταν η διαφορική διαμόρφωση φάσης (Differential Phase Shift Keying, (DPSK)). Η χρήση διαμορφώσεων φάσης (Phase Shift Keying, (PSK)) αναβάθμισε τα τηλεπικοινωνιακά συστήματα οπτικών ινών επειδή παρείχε υψηλότερη φασματική απόδοση συγκριτικά με τη δυαδική διαμόρφωση πλάτους που επικρατούσε έως τότε. Πρόδρομος της εξέλιξης αυτής ήταν η εντατική μελέτη, σε ερευνητικό στάδιο, της δυαδικής διαμόρφωσης φάσης (Differential Phase Shift Keying (DPSK)) στις αρχές του 2000. Τα πλεονεκτήματα της διαμόρφωσης DPSK είναι: α) η καλύτερη εκμετάλλευση του διαθέσιμου εύρους ζώνης ανά μήκος κύματος λόγω της υψηλότερης φασματικής απόδοσης και β) η ανθεκτικότητα του σήματος στα σφάλματα διάδοσης (π.χ. λόγω της χρωματικής διασποράς, της διασποράς τρόπων πόλωσης, και των μη γραμμικοτήτων των οπτικών ινών). Αντιθέτως, το κυριότερο μειονέκτημα των ψηφιακών διαμορφώσεων φάσης είναι η σοβαρή υποβάθμιση της απόδοσης των δεκτών εξαιτίας του μη γραμμικού θορύβου φάσης. Προκειμένου να αξιολογηθεί ποσοτικά η υποβάθμιση των συστημάτων άμεσης φώρασης με διαμόρφωση DPSK, είναι απαραίτητος ο ακριβής προσδιορισμός των στατιστικών χαρακτηριστικών του μη γραμμικού θορύβου φάσης στην έξοδο του δέκτη άμεσης φώρασης. Η χαρακτηριστική συνάρτηση του μη γραμμικού θορύβου φάσης είχε ήδη υπολογιστεί αναλυτικά σε δημοσιεύσεις που είχαν προηγηθεί της παρούσας διατριβής ενώ η συνάρτηση πυκνότητας πιθανότητας (σππ) είχε υπολογιστεί μόνο αριθμητικά χρησιμοποιώντας τη μέθοδο του γρήγορου μετασχηματισμού Fourier (Fast Fourier Τransform, (FFT)). Σε αυτή τη διατριβή υπολογίζουμε μια ημι-αναλυτική προσέγγιση της σππ του μη γραμμικού θορύβου φάσης χρησιμοποιώντας τη μέθοδο της ταχύτερης καθόδου σε ένα οπτικό δέκτη άμεσης φώρασης. Αποδεικνύεται ότι η ημι-αναλυτική προσέγγιση που προτείνουμε είναι ανώτερη συγκριτικά με την προγενέστερη αριθμητική μέθοδο της βιβλιογραφίας και μπορεί να χρησιμοποιηθεί για μία πιο αξιόπιστη εκτίμηση της πιθανότητας σφάλματος του μη γραμμικού θορύβου φάσης, λόγω της ακρίβειας που παρέχει στις ουρές της σππ. Στις μέρες μας, οι διαμορφώσεις φάσεις θεωρούνται πλέον παρωχημένες, όσον αφορά τα οπτικά τηλεπικοινωνιακά συστήματα μεγάλων αποστάσεων (π.χ. άνω των 1,000 χλμ), και έχουν πλήρως αντικατασταθεί από τις τετραγωνικές διαμορφώσεις πλάτους (Quadrature Amplitude Modulation (QAM)) οι οποίες είναι ένας συνδυασμός διαμόρφωσης πλάτους και φάσης του σήματος. Χωρίς τη φασματική απόδοση που προσφέρουν οι διαμορφώσεις QAM θα ήταν αδύνατο να επιτευχθούν οι σημερινοί υψηλοί ρυθμοί σηματοδοσίας της τάξης των 400 Gb/s ή ακόμα και των 1 Tb/s ανά μήκος κύματος. Στον αντίποδα αυτής της εξέλιξης είναι η σταδιακή αποψίλωση της διαθέσιμης χωρητικότητας των οπτικών ινών καθώς η εμφάνιση μη γραμμικών φαινομένων μέσα στις μονόπτροπες οπτικές ίνες περιορίζει το ρυθμό διάδοσης. Τα τελευταία χρόνια, η πολυπλεξία χώρου (Spatial Division Multiplexing (SDM)) εμφανίζεται ως μία πολλά υποσχόμενη λύση για την αύξηση χωρητικότητας των οπτικών ζεύξεων λόγω της χρήσης των καινούριων οπτικών ινών που υποστηρίζουν περισσότερους από έναν τρόπο διάδοσης (Few Mode Fibers (FMF)). Κατά συνέπεια, αναμένεται ότι η ανάπτυξη της πολυπλεξίας χώρου σε συνδυασμό με την εφαρμογή κατάλληλων μη γραμμικών εξισωτών θα μπορέσει να επεκτείνει το άνω όριο της χωρητικότητας στα συστήματα μονότροπων οπτικών ινών (Standard Single Mode Fibers (SSMF)). Οι ψηφιακές τεχνικές αντιστάθμισης που χρησιμοποιούνται για την εξίσωση των μη γραμμικών φαινομένων χωρίζονται σε δύο κατηγορίες: α) στις τεχνικές αντιστάθμισης πριν τη διάδοση του σήματος που εφαρμόζονται στον πομπό και καθιστούν το σήμα περισσότερο ανθεκτικό στις μη γραμμικότητες της οπτικής ίνας και β) στις τεχνικές αντιστάθμισης μετά τη διάδοση που εφαρμόζονται στο δέκτη ως επιμέρους κομμάτι της ψηφιακής επεξεργασίας σήματος (Digital Signal Processing (DSP)) στη λήψη. Η τελευταία κατηγορία συμπεριλαμβάνει την ευρέως διαδεδομένη αριθμητική μέθοδο της ψηφιακής οπισθοδιάδοσης (Digital Back-Propagation (DBP)) καθώς και την ημι-αναλυτική μέθοδο των σειρών Volterra. Οι δύο αυτές μέθοδοι αντιστάθμισης των μη γραμμικών φαινομένων ενδείκνυνται για οπτικά τηλεπικοινωνιακά συστήματα που χρησιμοποιούν οπτικά υπερ-κανάλια (δηλαδή συστάδες φερέσυχνων σημάτων (super-channels) που διαδίδονται μαζί στα οπτικά τηλεπικοινωνιακά συστήματα ως μία οντότητα) εξισώνοντας είτε ένα υποκανάλι της συστάδας τη φορά (μονο-καναλική εξίσωση) είτε όλα τα υποκανάλια της συστάδας ταυτόχρονα (πολυ-καναλική εξίσωση). Αριθμητικά αποτελέσματα της προηγούμενης βιβλιογραφίας αποκαλύπτουν ότι η εφαρμογή ψηφιακής οπισθοδιάδοσης με 80 βήματα ανά εκπέτασμα, στη περίπτωση της πολυ-καναλικής εξίσωσης, παρέχει εως και 3.8 dB βελτίωση του παράγοντα Q^2 μετά από ~ 3,200 χλμ. Παρόλα αυτά, η εντυπωσιακή βελτίωση του σήματος επιτυγχάνεται εις βάρος της υπολογιστικής πολυπλοκότητας λόγω της χρήσης μεγάλου αριθμού δειγμάτων ανά σύμβολο κατά την ψηφιακή επεξεργασία στο δέκτη. Όσον αφορά τα συστήματα που χρησιμοποιούν ολιγότροπες οπτικές ίνες (FMF), έχουν δημοσιευθεί μελέτες που αποδεικνύουν ότι τα γραμμικά φαινόμενα διάδοσης, η διαφορική καθυστέρηση ομάδας των διαφόρων τρόπων (DMGD) και η σύζευξη τρόπων (mode coupling), μπορούν να εξαλειφθούν πλήρως από γραμμικούς εξισωτές πολλαπλής-είσοδου πολλαπλής-έξοδου (Multiple-Input Multiple-Output (MIMO)). Αντιθέτως, οι μη γραμμικότητες που εμφανίζονται τόσο εντός του κάθε μεταδιδόμενου τρόπου όσο και μεταξύ τρόπων (intra- & inter-modal nonlinearities) εξακολουθούν να αποτελούν σημαντικό περιορισμό της χωρητικότητας στα συστήματα SDM. Μετά από ενδελεχή έρευνα της διαθέσιμης βιβλιογραφίας, διαπιστώσαμε ότι δεν έχουν μελετηθεί μη γραμμικοί εξισωτές τύπου MIMO πέραν της περίπτωσης των εξισωτών 2×2 που αρχίζουν να χρησιμοποιούνται στα συστήματα μονότροπων οπτικών ινών. Η αντιστάθμιση των μη γραμμικών φαινομένων αποτελεί αντικείμενο μελέτης της παρούσας διατριβής. Εξετάζουμε δύο περιπτώσεις: (α) την εφαρμογή του αναπτύγματος Volterra 3ης τάξης για την καταπολέμηση των μη γραμμικών φαινόμενων σε σύμφωνα οπτικά τηλεπικοινωνιακά συστήματα με μονότροπες οπτικές ινές όταν γίνεται μονο-καναλική και πολυ-καναλική εξίσωση (β) την εφαρμογή του ανωτέρου εξισωτή σε συστήματα διαίρεσης χώρου. Αρχικά, μελετήθηκε, πειραματικά και μέσω προσομοιώσεων, η απόδοση του μη γραμμικού εξισωτή Volterra και της ψηφιακής οπισθοδιάδοσης σε συστήματα μονότροπων οπτικών ινών. Το σύμφωνο οπτικό τηλεπικοινωνιακό σύστημα που χρησιμοποιήθηκε για τη μελέτη σύγκρισης αποτελείται από τρία υπερ-κανάλια. Το κάθε οπτικό υπερ-κανάλι αποτελείται από υποφέρουσες με ορθογώνια πολυπλεξία συχνοτήτων (Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM)). Κάθε υποφέρουσα είναι διαμορφωμένη με 16QAM ενώ ο ρυθμός σηματοδοσίας ανα κανάλι είναι ίσος με 400 Gb/s. Συνολικά, ο ρυθμός σηματοδοσίας που υποστηρίζεται από τα τρία υπερ-κανάλια είναι 1.2 Tb/s και διαδίδεται σε 1,000 χλμ μίας μονότροπης οπτικής ίνας. Στο δέκτη, ανιχνεύεται μόνο το ένα από τα τρία υπερ-κανάλια κι εφαρμόζεται η μονο-καναλική γραμμική και μη γραμμική αντιστάθμιση του ληφθέντος σήματος. Τα πειραματικά και αριθμητικά αποτελέσματα συμφωνούν απόλυτα και αποκαλύπτουν ότι και οι δύο υπό μελέτη μη γραμμικοί εξισωτές διορθώνουν τον παράγοντα Q^2 κατά ~ 0.3 dB, συγκριτικά με την μέγιστη τιμή του τελευταίου όταν εφαρμόζεται μόνο γραμμική εξίσωση. Στη συνέχεια εκτιμάται η υπολογιστική πολυπλοκότητα των δύο μη γραμμικών εξισωτών σε αντιστοιχία με την απόδοσης τους. Αποδεικνύεται ότι η ψηφιακή οπισθοδρόμηση με πολλαπλά βήματα ανά εκπέτασμα υπερτερεί σε απόδοση του μη γραμμικού εξισωτή Volterra αλλά μειονεκτεί σε πολυπλοκότητα κοστίζοντας σε ισχύ και κατ’επέκταση σε κόστος. Στη συνέχεια, η μελέτη της απόδοσης μεταξύ των δύο μη γραμμικών εξισωτών επεκτείνεται στην περίπτωση πολλαπλών υποφερουσών ενός οπτικού καναλιού. Τα αποτελέσματα των προσομοιώσεων αποκαλύπτουν ότι η απόδοση του εξισωτή Volterra στην πολυ-καναλική περίπτωση είναι παρόμοια με αυτή του εξισωτή ψηφιακής οπισθοδιάδοσης αλλά με τον δεύτερο να χρειάζεται 40 βηματισμούς ανά εκπέτασμα καθιστώντας τον πρώτο πολύ λιγότερο πολύπλοκο. Τελος, αναπτύχθηκε ένας μη γραμμικός εξισωτής Volterra τύπου MIMO διαστάσεων 6×6, για την αντιστάθμιση των ενδο-τροπικών και δια-τροπικών μη γραμμικοτήτων που αναπτύσσονται κατά τη διάδοση του οπτικού σήματος σε μία ολιγότροπη οπτική ίνα. Τα αποτελέσματα των προσομοιώσεων έδειξαν ότι ο εξισωτής Volterra βελτιώνει τον παράγοντα Q^2 κατά 1 dB όταν μεταδίδονται 3 χωρικοί τρόποι διάδοσης με πολυπλεξία πόλωσης ανά τρόπο. Η απόσταση διάδοσης ήταν και στις δύο περιπτώσεις ίση με 1,040 χλμ FMF. Σε αυτό το σημείο αξίζει να σημειωθεί ότι όσο περισσότεροι είναι οι χωρικοί τρόποι διάδοσης τόσο αυξάνεται η υπολογιστική πολυπλοκότητα του εξισωτή Volterra. 2018-10-11T08:26:41Z 2018-10-11T08:26:41Z 2018-05-29 Thesis http://hdl.handle.net/10889/11668 en Η ΒΚΠ διαθέτει αντίτυπο της διατριβής σε έντυπη μορφή στο βιβλιοστάσιο διδακτορικών διατριβών που βρίσκεται στο ισόγειο του κτιρίου της. 0 application/pdf |