Avaliação da interação entre a formatação probabilística de constelações e etapas de processamento digital de sinais para sistemas ópticos coerentes digitais

Detalhes bibliográficos
Ano de defesa: 2021
Autor(a) principal: Barbosa, Fabio Aparecido, 1991-
Orientador(a): Não Informado pela instituição
Banca de defesa: Não Informado pela instituição
Tipo de documento: Tese
Tipo de acesso: Acesso aberto
Idioma: por
Instituição de defesa: [s.n.]
Programa de Pós-Graduação: Não Informado pela instituição
Departamento: Não Informado pela instituição
País: Não Informado pela instituição
Palavras-chave em Português:
Comunicações ópticas (Transmissão de dados)
Processamento digital de sinais
Optical Communications (Data transmission)
Digital signal processing
Link de acesso: https://hdl.handle.net/20.500.12733/6170
Resumo: Orientador: Darli Augusto de Arruda Mello
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spelling Avaliação da interação entre a formatação probabilística de constelações e etapas de processamento digital de sinais para sistemas ópticos coerentes digitaisInvestigation of the interplay between probabilistic constellation shaping and digital signal processing algorithms for digital coherent optical systemsComunicações ópticas (Transmissão de dados)Processamento digital de sinaisOptical Communications (Data transmission)Digital signal processingOrientador: Darli Augusto de Arruda MelloTese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Elétrica e de ComputaçãoResumo: Avalia-se a interação entre a formatação probabilística (probabilistic shaping - PS) de constelações e típicas etapas de processamento digital de sinais (digital signal processing - DSP) empregadas em receptores ópticos coerentes digitais. O canal óptico é modelado como um canal de ruído aditivo gaussiano branco (additive white Gaussian noise - AWGN) e a aplicação de PS segue a distribuição de Maxwell-Boltzmann (MB). Expressões analíticas são apresentadas para uma versão totalmente supervisionada do tradicional algoritmo de recuperação de fase da portadora (carrier phase recovery - CPR) conhecido como algoritmo de busca cega de fase (blind phase search - BPS). Enquanto essa versão supervisionada somente é afetada negativamente pela aplicação de PS quando são usadas janelas pequenas de rejeição de ruído, demonstra-se por meio de simulações e experimentos que o algoritmo BPS é fortemente afetado mesmo com longas janelas. Além disso, observa-se que a região de pior caso para o funcionamento do BPS está na proximidade da condição de formatação que, em tese, maximiza a informação mútua (mutual information - MI) sob o canal AWGN quando PS é aplicado de acordo com a distribuição de MB, principalmente em região de baixa relação sinal-ruído (signal-to-noise ratio - SNR). Nesse cenário, a aplicação de PS se traduz em penalidades consideráveis em termos de MI. Propõe-se como solução a esse problema um processo de otimização do fator que controla a magnitude de formatação das constelações chamada de deslocamento do fator de formatação (shaping factor detuning - SFD). Operações estáveis são obtidas ao longo das regiões avaliadas e demonstram que os ganhos decorrentes do uso de PS podem ser garantidos. Investiga-se por meio de dados experimentais a etapa de recuperação de fase da portadora (carrier frequency recovery - CFR) demonstrando que o algoritmo da 4ª potência (4-th Power) também é afetado pela aplicação de PS, e uma solução baseada em pilotos é uma viável alternativa. De fato, observa-se que ambas as etapas de CFR e CPR podem se beneficiar da inserção de símbolos piloto nas sequências transmitidas. Por fim, apresenta-se uma análise matemática de dois dos principais detectores de erro de temporização (timing error detectors - TEDs), o TED de Gardner e o TED modificado de Gardner, mostrando que o segundo possui um desempenho dependente da curtose da fonte e, portanto, da aplicação de PS às constelações. Por meio de extensas simulações essas afirmações são validades e estendidas a outras duas estratégias, o TED de Godard e o TED modificado de Godard. Assim como o TED modificado de Gardner, o TED modificado de Godard é afetado pelo uso de PS. Este trabalho demonstra que para garantir os benefícios da aplicação de PS em sistemas ópticos, a adequação dos algoritmos de DSP usados em receptores coerentes é requeridaAbstract: This work investigates the interplay between probabilistic shaping (PS) and typical digital signal processing (DSP) stages employed in digital optical coherent receivers. We model the optical channel as an additive white Gaussian noise (AWGN) channel, and PS follows the Maxwell-Boltzmann (MB) distribution. We present analytical expressions for a fully supervised version of the traditional carrier phase recovery (CPR) algorithm called the blind phase search (BPS) algorithm. While PS negatively affects the supervised algorithm only at short noise rejection windows, we show by simulations and offline processing of experimentally collected traces that PS affects the BPS algorithm even at long windows. In addition, the worst-case scenarios for the BPS occur in the vicinity of the shaping condition that, in theory, maximizes the MI for the AWGN channel when one uses the MB distribution, especially at low signal-to-noise ratio (SNR) regimes. We propose a technique called shaping factor detuning (SFD) as a solution to this problem. SFD provides a stable operation, and it preserves the expected gains related to the use of PS. We also assess using experimentally collected traces the carrier frequency recovery (CFR) stage, and we show that the PS affects the 4 Power algorithm. However, a viable solution is using a pilot-based strategy. In fact, we observe that both the CFR and CPR stages can take advantage of pilot symbols periodically inserted into the transmitted sequences. Finally, we present mathematical modeling of two of the most significant timing error detectors (TEDs), namely the Gardner TED and the modified Gardner TED. Our analysis shows that the source kurtosis and, consequently, the PS affects the modified Gardner TED. We confirm this through extensive simulations, and we also extend the analysis to the Godard TED and the modified Godard TED. Similar to the modified Gardner TED, the modified Godard TED is also affected by PS. This work demonstrates that one should properly adjust the DSP stages to guarantee the benefits of using PS in digital coherent optical systemsDoutoradoTelecomunicações e TelemáticaDoutor em Engenharia ElétricaCNPQ166102/2018-0[s.n.]Mello, Darli Augusto de Arruda, 1976-Arantes, Dalton SoaresLopes, Renato da RochaAbbade, Marcelo Luís FranciscoCosta, João Crisostomo Weyl AlbuquerqueUniversidade Estadual de Campinas (UNICAMP). Faculdade de Engenharia Elétrica e de ComputaçãoPrograma de Pós-Graduação em Engenharia ElétricaUNIVERSIDADE ESTADUAL DE CAMPINASBarbosa, Fabio Aparecido, 1991-20212021-09-03T00:00:00Zinfo:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/doctoralThesisapplication/pdf1 recurso online (164 p.) : il., digital, arquivo PDF.https://hdl.handle.net/20.500.12733/6170BARBOSA, Fabio Aparecido. Avaliação da interação entre a formatação probabilística de constelações e etapas de processamento digital de sinais para sistemas ópticos coerentes digitais. 2021. 1 recurso online (164 p.) Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Elétrica e de Computação, Campinas, SP. Disponível em: 20.500.12733/6170. 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