Experimentelle Untersuchung der OFDM-Übertragung mit ... · 1. Nachrichtenübertragung mit direkter Modulation (DM) 2. Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) 3. Experimenteller

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



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



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:



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:



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]



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



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



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.



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]



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



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

tärk

ungs

- fa

ktor

Re

Im

Re

Im



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



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)



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



Vielen Dank!

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