Digital Signal Processing for Next-Generation Passive Optical Networks
Techniques numériques de traitement du signal pour les futurs réseaux d'accès optiques
Résumé
This thesis aims at improving the spectral efficiency of fiber-based optical transmissions in the context of access networks where an Intensity Modulated/Direct Detected (IMDD) technique is used. In such a context, an increase of fiber length or data rate might lead to significant inter symbol interference problem. For the reason of cost, instead of investing in expensive technologies, a telecom operator might prefer compensating transmission detriments by means of signal processing techniques. In this thesis, the compensation of transmission detriments using signal processing techniques is addressed. In addition, the potential of advanced modulation techniques such as the Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) is also studied. The studies described in this thesis are extensively based on numerical simulation results. Therefore, the first part of this thesis is dedicated to the modeling of an optical transmission link. Both model parameter extraction and model validation are carried out by means of experimental measures. Based on the channel model, the first study concerns channel equalization techniques for a conventional on-off-keying non return-to-zero transmission. It is found that linear equalization techniques may extend transmission reach by tens of kilometers. When nonlinear equalizers are used, reach is further extended by tens of kilometers and chromatic dispersion-induced power penalty is improved by up to 2 dB. Moreover, when the Nyquist pulse-shaping technique is used, the power penalty is further improved by 2 dB. The second study in this thesis is dedicated to the performance evaluation of OFDM modulation. Particularly, conventional Levin-Campello bit/power loading OFDM systems are subjected to the study. Based on the Discrete Fourier Transform (DFT) precoding technique, a precoded OFDM system is also proposed. Having the same data-rate performance when compared to the Levin-Campello system, the proposed system significantly reduces the Peak-to-Average Power Ratio (PAPR) of a transmitted signal, resulting in reduced power consumption of the power amplifier on the transmitter side. Moreover, when compared to the actual on-off-keying modulation, the OFDM modulation is shown to be more robust against chromatic dispersion and laser chirps. Finally, conventional and proposed techniques to compensate for OFDM disadvantages including the important PAPR and the sensitivity to timing synchronization are investigated. The proposed synchronization techniques are shown to outperform conventional techniques in terms of timing offset variance and complexity. To reduce the PAPR of a transmitted OFDM signal, a contiguous-tone tone reservation technique is proposed. When this technique is used in a precoded OFDM system, the PAPR is shown to be reduced by up to 4 dB.
Cette thèse vise à améliorer l'efficacité spectrale des transmissions sur fibres optiques dans le cadre de réseaux d'accès où une technique de modulation d¿intensité et détection directe (IMDD) est utilisée. Dans un tel contexte, une augmentation de la longueur de fibre ou du débit pourrait conduire à une importante interférence entre symboles. Dans cette thèse, l¿utilisation des techniques de traitement du signal pour compenser des défauts du canal de transmission est analysée. En outre, le potentiel de la technique de multiplexage par répartition orthogonale de la fréquence (OFDM) est également étudié. Puisque les études décrites dans cette thèse sont largement basées sur les résultats de simulations numériques, la première partie de ce mémoire est dédiée à la modélisation avancée d'une liaison de transmission sur fibres optiques. À la fois l'extraction des paramètres et la validation du modèle sont réalisées avec des mesures expérimentales. La première étude concerne les techniques d'égalisation de canal pour une transmission classique de type non retour à zéro (NRZ). Il se trouve que les techniques d'égalisation linéaires peuvent augmenter la portée de transmission par une douzaine de kilomètres. Lorsque des égaliseurs non linéaires sont utilisés, la portée est davantage augmentée par plusieurs dizaines de kilomètres et la pénalité de puissance à cause de la dispersion chromatique est améliorée jusqu'à 2 dB. En outre, lorsque le filtre de mise en forme de Nyquist est utilisé, la pénalité de puissance est encore améliorée par 2 dB. La deuxième étude concerne l'évaluation des performances de la modulation OFDM. En particulier, les systèmes conventionnels de modulation adaptée proposés par Levin-Campello sont étudiés. En précodant des symboles OFDM par une matrice de la transformation de Fourier discrète (DFT), un système OFDM précodé est également proposé. Ayant les mêmes performances en termes de débit par rapport au système Levin-Campello, le système proposé permet de réduire de manière significative le facteur de crête (PAPR) d'un signal transmis, ce qui réduit la consommation de puissance d'un amplificateur de puissance à l'émetteur. De plus, par rapport à la modulation tout ou rien (OOK), la modulation OFDM se révèle être plus robuste contre la dispersion chromatique et les chirps du laser. Enfin, les techniques conventionnelles et proposées pour compenser des défauts d¿une modulation OFDM, y compris l¿important PAPR et la sensibilité à la synchronisation temporelle sont étudiées. Les techniques proposées pour la synchronisation temporelle ont des meilleures performances en termes de précision et complexité par rapport aux techniques classiques. Pour réduire le PAPR d'un signal OFDM, une technique basée sur des pilotes réservées est proposé. Dans un système OFDM précodé, cette technique apporte une réduction de PAPR pouvant atteindre 4 dB.
Origine : Fichiers produits par l'(les) auteur(s)