Experimental investigation of adaptive flexible digital signal processing for hybrid modulation formats

In today’s world, the Internet has become an indispensable part of almost every aspect of life. In the private sector, more and more Internet-enabled mobile devices such as laptops, cell phones or tablets are being used. In the last few years, the daily way of life has changed. What a decade ago was still determined by analog television is today influenced by digital media. In addition to the requirements of mobile radio, the demands on the optical transmission systems behind it are growing in equal measure. Multi-stage modulation formats such as polarization multiplexing or quadrature amplitude modulation are already increasingly being used in optical transmissions. When considering ways to increase transmission rates, greater attention must be paid to linear and nonlinear interference as well as interference from imperfect components in optical systems. These limiting effects are given special attention in this thesis. The focus of this work is on the one hand on increasing the channel rate by modern digital signal processing and on the other hand on high-quality modulation formats in different optical transmission systems. In addition, this thesis discusses the possibility to design the data rate adaptively under given transmission conditions in dual polarization networks with wavelength division multiplexing. This is a prerequisite for supporting modern concepts determined by software. The goal of the research activity on which this work is based is to be able to design the data rate adaptively in coherent wavelength division multiplexing networks with a dense grid of less than 50 GHz. The main focus is on the investigation, optimization and experimental implementation of hybrid modulation and its digital signal processing in transmitter and receiver. Among other concepts, hybrid modulation offers a central abstraction possibility by allowing the individual data streams to be modulated independently of each other. Furthermore, this thesis shows that already common concepts of digital signal processing are applicable to hybrid modulation. The developed concept was realized by a WDM scenario with a channel spacing of 37.5 GHz and investigated in simulations and experiments. A numerical model for the investigation of glass fibers under birefringence was realized with the implementation and optimization of the solution to the Manakov-PMD equation by the split-step method. This work also performs important aspects of general digital signal processing.In der heutigen Zeit ist das Internet aus fast keinem Lebensbereich mehr wegzudenken. Im Privatbereich finden immer mehr internetfähige Mobilgeräte wie Laptops, Mobiltelefone oder Tablets ihren Einsatz. In den letzten Jahren hat sich die tägliche Lebensgestaltung verändert. Was vor einem Jahrzehnt noch durch analoges Fernsehen bestimmt wurde, wird heute durch digitale Medien beeinflusst. Neben den Anforderungen des Mobilfunks wachsen gleichermaßen die Anforderungen an die dahinterliegenden optischen Übertragungssysteme. In der optischen Nachrichtenübertragung kommen bereits verstärkt mehrstufige Modulationsformate wie dem Polarisationsmultiplexing oder der Quadraturamplitudenmodulation zum Einsatz. Bei den Überlegungen zur Erhöhung der Übertragungsraten muss sich verstärkt mit den linearen und nichtlinearen Störungen, sowie den Störungen imperfekter Bauteile in optischen Systemen beschäftigt werden. Diese limitierenden Effekte werden in dieser Arbeit mit besonderer Aufmerksamkeit betrachtet. Der Fokus dieser Arbeit richtet sich zum einen auf die Erhöhung der Kanalrate durch moderne digitale Signalverarbeitung und zum anderen auf hochwertige Modulationsformate in unterschiedlichen optischen Übertragungssystemen. Zusätzlich wird in dieser Arbeit die Möglichkeit intensiv diskutiert, bei gegebenen Übertragungsbedingungen in Dual- Polarisations-Netzen mit Wellenlängenmultiplex, die Datenrate adaptiv zu gestalten. Dies ist Voraussetzung, um moderne durch Software bestimmte Konzepte zu unterstützen. Das Ziel der für diese Ausarbeitung zugrundeliegenden Forschungstätigkeit ist es, in kohärenten WDM-Netzen mit dichtem Raster von weniger als 50 GHz, die Datenrate adaptiv gestalten zu können. Das Hauptaugenmerk liegt dabei auf der Untersuchung, Optimierung und experimentellen Umsetzung der hybriden Modulation und deren digitalen Signalverarbeitung im Sender wie Empfänger. Die hybride Modulation bietet neben anderen Konzepten eine zentrale Abstraktionsmöglichkeit, indem die einzelnen Datenströme unabhängig voneinander moduliert werden können. Außerdem zeigt diese Arbeit, dass bereits gängige Konzepte der digitalen Signalverarbeitung auf eine hybride Modulation anwendbar sind. Das erstellte Konzept wurde durch ein WDM-Szenario mit einem Kanalabstand von 37,5 GHz realisiert und in Simulationen sowie Experimenten untersucht. Realisiert wurde ein numerisches Modell zur Untersuchung von Glasfasern bei Doppelbrechung mit der Umsetzung und Optimierung der Lösung zur Manakov-PMD-Gleichung durch die Split-Step-Methode. Diese Arbeit führt desWeiteren wichtige Aspekte der generellen digitalen Signalverarbeitung aus

Simulation und experimentelle Untersuchung von optischen und elektronischen Entzerrern in hochbitratigen optischen Übertragungssystemen

In dieser Arbeit werden verschiedene Methoden zur Erhöhung der Systemtoleranz optischer Übertragungssysteme theoretisch analysiert, durch numerische Simulationen untersucht und in Experimenten und Feldversuchen praktisch überprüft. Der Schwerpunkt lag dabei auf empfängerseitigen elektronischen sowie optischen Entzerrern. Diese Entzerrer verbessern die Signalübertragung, in dem sie die Augenöffnung des Signals am Empfänger vergrößern oder in dem sie durch digitale Logikschaltungen das gesendete Signal aus einem gestörten Signal rekonstruieren. Der Schwerpunkt dieser Arbeit liegt jedoch auf der Untersuchung der Entzerrer auf Systemebene, d.h. es wird das Verhalten in einem kompletten optischen Übertragungssystem bestehend aus Sender, Glasfaserstrecke und Empfänger bewertet. Zur Untersuchung wurde eine Simulationsumgebung in der Programmiersprache FORTRAN erstellt, in der die unterschiedlichen Entzerrer in verschiedenen Netz-Szenarien untersucht wurden. Zur praktischen Untersuchung wurde außerdem eine Testumgebung im verlegten Glasfasernetz aufgebaut und eine Realisierung eines Entzerrers experimentell untersucht.:Inhaltsverzeichnis 1 Einleitung 1 2 Grundaufbau und Komponenten optischer Übertragungssysteme 3 2.1 Optische Sender 4 2.2 Das Übertragungsmedium Glasfaser 9 2.3 Optische Faserverstärker 22 2.4 Optische Empfänger und Signalauswertung 24 3 Filterstrukturen und Polynomsysteme 29 3.1 Digitalfilter 29 3.2 Optische Filter 30 3.3 Volterra-Systeme 33 4 Elektronische Entzerrung zur Erhöhung der Systemtoleranz 35 4.1 Klassische Entzerrer 35 4.2 Nichtlineare Entzerrer basierend auf Volterra-Systemen 41 4.3 Maximum Likelihood Sequence Estimation 45 5 Optische Entzerrung und Kompensation 49 5.1 Dispersionskompensationsfasern 49 5.2 Optische FIR-Filter 50 6 Entzerrung in unkompensierten Übertragungssystemen 61 6.1 Prinzipieller Vergleich der Entzerrer bei linearer Übertragung 61 6.2 Entzerrung unter Berücksichtigung nichtlinearer Fasereffekte 78 7 Entzerrung in dispersionskompensierten Übertragungssystemen 87 7.1 Ausgleich einer DCF-Fehlanpassung 87 7.2 Entzerrung von Restdispersion 93 8 Gleichzeitige Entzerrung mehrerer Fasereffekte 97 8.1 Simulation der Entzerrung durch MLSE-Entzerrer 97 8.2 Experimentelle Untersuchung von MLSE-Entzerrern im Feldversuch 99 9 Alternative Verfahren zur Erhöhung der Systemtoleranz 113 9.1 Optisches Subcarrier-Multiplexing 113 9.2 Gezielter Austausch von Glasfasern mit hoher PMD 117 10 Zusammenfassung und Schlussfolgerung 121 Literaturverzeichnis 123 Verzeichnis der im Rahmen dieser Arbeit entstandenen Veröffentlichungen 133 Anhang A 137 Anhang B 138In this thesis, several methods for the enhancement of the tolerance of optical transmission systems are analyzed theoretically, investigated in numerical simulations and evaluated in experiments and field trials. The investigations were thereby focused on receiver sided electronic and optical equalizers. Those devices improve the signal transmission by increasing the eye-opening at the receiver or by reconstructing the original signal from the distorted received signal by the use of digital signal processing. However, this thesis is focused on the investigation of different equalizers on a system level where the performance of a complete transmission system consisting of a transmitter, transmission fiber and receiver is evaluated. For those studies a simulation environment was created using the programming language FORTRAN where the different equalizers were evaluated in different network scenarios. For practical investigations, a test environment was created using the deployed fiber infrastructure and specific equalizer realization were evaluated experimentally.:Inhaltsverzeichnis 1 Einleitung 1 2 Grundaufbau und Komponenten optischer Übertragungssysteme 3 2.1 Optische Sender 4 2.2 Das Übertragungsmedium Glasfaser 9 2.3 Optische Faserverstärker 22 2.4 Optische Empfänger und Signalauswertung 24 3 Filterstrukturen und Polynomsysteme 29 3.1 Digitalfilter 29 3.2 Optische Filter 30 3.3 Volterra-Systeme 33 4 Elektronische Entzerrung zur Erhöhung der Systemtoleranz 35 4.1 Klassische Entzerrer 35 4.2 Nichtlineare Entzerrer basierend auf Volterra-Systemen 41 4.3 Maximum Likelihood Sequence Estimation 45 5 Optische Entzerrung und Kompensation 49 5.1 Dispersionskompensationsfasern 49 5.2 Optische FIR-Filter 50 6 Entzerrung in unkompensierten Übertragungssystemen 61 6.1 Prinzipieller Vergleich der Entzerrer bei linearer Übertragung 61 6.2 Entzerrung unter Berücksichtigung nichtlinearer Fasereffekte 78 7 Entzerrung in dispersionskompensierten Übertragungssystemen 87 7.1 Ausgleich einer DCF-Fehlanpassung 87 7.2 Entzerrung von Restdispersion 93 8 Gleichzeitige Entzerrung mehrerer Fasereffekte 97 8.1 Simulation der Entzerrung durch MLSE-Entzerrer 97 8.2 Experimentelle Untersuchung von MLSE-Entzerrern im Feldversuch 99 9 Alternative Verfahren zur Erhöhung der Systemtoleranz 113 9.1 Optisches Subcarrier-Multiplexing 113 9.2 Gezielter Austausch von Glasfasern mit hoher PMD 117 10 Zusammenfassung und Schlussfolgerung 121 Literaturverzeichnis 123 Verzeichnis der im Rahmen dieser Arbeit entstandenen Veröffentlichungen 133 Anhang A 137 Anhang B 13

Siliziumbasierte photonische Bauelemente für optische Empfänger

Das rasante Wachstum des weltweiten Datenverkehrs in den vergangenen Jahren ist weiterhin ungebrochen. Zur weiteren Steigerung der Datenraten auf einer Glasfaser werden seit einigen Jahren höhere Modulationsformate eingesetzt. Somit kann das zur Verfügung stehende Spektrum effizienter genutzt werden. Aufgrund technischer Beschränkungen können die künftig benötigten elektro-optischen Schnittstellen bei Übertragungsraten von 400 Gbit/s und 1 Tbit/s nicht als Einzelträgersysteme realisiert werden. Daher werden mehrere Träger zusammen mit höheren Modulationsverfahren eingesetzt. Die dafür benötigten optischen Sender und Empfänger bestehen aus vielen Einzelkomponenten, wodurch die Komplexität und die Kosten der Baugruppen steigen. Somit wird die Notwendigkeit diese komplexen photonischen Schaltungen auf einem Chip zu integrieren sowohl durch technische als auch durch wirtschaftliche Aspekte motiviert. Zentrales Element der dabei eingesetzten kohärenten Empfänger ist der optische 90°-Hybrid. In dieser Arbeit werden monolithisch integrierte 90°-Hybride in Silizium untersucht, die als Multimoden-Interferenzkoppler realisiert werden. Diese basieren auf der Ausbildung von Selbstabbildungen durch phasenrichtige Interferenz der ausbreitungsfähigen Moden. Hierbei werden zwei Konzepte untersucht: Zum einen ein Multimoden-Interferenzkoppler mit einfachem seitlichen Mantel aus Siliziumdioxid und zum anderen eine optimierte Variante mit seitlichem Sub-Wellenlängen-Gitter zur Beeinflussung der Wellenführung im Multimoden-Interferenzkoppler. Die Bauelemente werden mithilfe der Eigenmodenentwicklung simuliert. Durch Anwendung des Bloch-Theorems können ebenfalls die Sub-Wellenlängen-Gitter effizient berechnet werden. Aus den Simulationen werden die für den Einsatz in kohärenten Empfängern maßgeblichen Eigenschaften der 90°-Hybride bestimmt. Die Simulationsergebnisse werden anhand extern hergestellter 90°-Hybride messtechnisch bestätigt. In den gemessenen Transmissionsspektren zeigen sich die qualitativ verbesserten Selbstabbildungen des optimierten Hybrids durch eine gleichförmige Aufteilung der Leistung in einem großen Wellenlängenbereich. Somit kann nutzbare Bandbreite des 90°-Hybrids hinsichtlich Gleichtaktunterdrückung und Phasenfehler der interferierenden Signale vergrößert werden. Ebenfalls können die minimalen Verluste auf nur noch 0,03 dB in der Simulation und 0,06 dB - 0,08 dB in der Messung reduziert werden. Zusätzlich werden periodisch strukturierte einmodige Wellenleiter untersucht. Um den vektoriellen Charakter der ausbreitungsfähigen Bloch-Moden zu berücksichtigen sind Simulationen der dreidimensionalen Struktur erforderlich. Die in den Simulationen vorhergesagten besonderen Ausbreitungseigenschaften der Bloch-Moden werden durch Messungen an fabrizierten Wellenleitern bestätigt. Um die Leistungspegel von Datensignal und Lokaloszillator am Eingang des 90°-Hybrids in einem optimalen Bereich zu halten wird ein einstellbares optisches Dämpfungsglied benötigt. Hierfür wird ein auf zwei 2x2-Multimoden-Interferenzkopplern basierendes abstimmbares Dämpfungsglied mit thermischen Phasenstellern vorgestellt. Die umgesetzte Verlustleistung bei vollständiger Aussteuerung beträgt 12,5 mW. Dabei kann die Dämpfung in einem Bereich von mehr als 30 dB eingestellt werden

Elektromagnetische Verträglichkeit emv : Internationale Fachmesse und Kongress für Elektromagnetische Verträglichkeit. Creating a compatible future. Köln, 17.-19.03.2020

Proceedings der EMV 2020

EMV Analysen zur Datenübertragung über das Kfz-Energiebordnetz

Die Datenvernetzung innerhalb des Fahrzeuges hat Einfluss auf das Gewicht, das Volumen und die Komplexität des Fahrzeugkabelbaums. Mit den traditionellen Kfz-Bussystemen und der großen Vielfalt an Funktionen, die in Zukunft noch zunehmen wird, lässt sich ein Optimum hinsichtlich dieser Kriterien nur schwer erreichen. Eine mögliche Lösung könnte die Datenübertragung über das Kfz-Energiebordnetz darstellen. Die sogenannte Powerline Communication (PLC) ist eine Technologie, die die vorhandenen Energieleitungen für eine Datenübertragung nutzt. Im automotiven Umfeld gibt es für diese Technologie noch Forschungsbedarf. In dieser Arbeit werden die Freiheitsgrade, die in einem Kfz-Energiebordnetz vorliegen, hinsichtlich der Datenübertragung untersucht. Zwei wichtige Aspekte spielen dabei eine entscheidende Rolle: Zum einen sind die Übertragungseigenschaften des Energiebordnetzes für die Signalintegrität der Übertragung von großer Bedeutung. Zum anderen ist die Elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) entscheidend für einen robusten Betrieb der PLC, ohne andere Systeme zu stören oder gestört zu werden. Daraus werden mögliche Betriebsstrategien für eine PLC-Datenübertragung abgeleitet. Einflussfaktoren auf die Kanalübertragungseigenschaften, z. B. typische Abschlussimpedanzen und die Topologie des Bordnetzes, werden diskutiert und untersucht. Diverse Varianten zur Einkopplung des PLC-Signals in die Energieleitungen wurden ebenfalls analysiert. Auf Basis von Kfz-EMV-Normen werden die theoretischen Randbedingungen für eine störungsfreie Datenübertragung aufgestellt und in Messungen analysiert. Zuletzt wurde die Kommunikation in typischen EMV-Störfestigkeitsprüfungen unter Zuhilfenahme von Simulationen untersucht

Entwurf eines Empfängers für die drahtlose Datenübertragung bei 60 GHz

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit dem Entwurf eines monolithisch integrierten 60-GHz-Empfängerschaltkreises in einer modernen Silizium-Germanium-Halbleitertechnologie mit 190 GHz maximaler Transitfrequenz. Drei für die Entwicklung von MMIC-Empfängerschaltkreisen äußerst wichtige Prinzipien liegen dem Entwurf zugrunde: die Optimierung von Rauschverhalten und Bandbreite sowie die Betrachtung der maximal erreichbaren Ausgangsleistung. Diese Prinzipien werden detailliert untersucht und typische Schaltungen dahingehend analysiert. Insbesondere wird eine Methode vorgestellt, die es erlaubt, die maximale Ausgangsleistung für die häufig verwendete Kaskodestufe vorherzusagen. Dabei handelt es sich um eine Erweiterung der Methode der Lastkurve nach Cripps. Weiterhin werden Ansätze zur Modellierung von Leitungen vorgestellt und ihre Verwendbarkeit für die unterschiedlichen Simulationsarten diskutiert. Der Hauptteil der Arbeit behandelt den Entwurf des Empfängerschaltkreises, welcher aus einem breitbandigen Eingangsverstärker mit niedrigem Rauschen und einstellbarer Verstärkung, einem Leistungsteiler, einem direkten Quadratur-Abwärtsmischer, einem Basisbandverstärker, einem Treiberverstärker für das Lokaloszillatorsignal sowie einem 90°-Phasenschieber besteht. Zusätzlich sind verschiedene Referenzstrom- und -spannungsquellen im Schaltkreis integriert. Die gefertigte Schaltung wurde messtechnisch vollständig charakterisiert, und alle Ergebnisse sind wiedergegeben. Der gemessene Mischgewinn beträgt bis zu 40 dB bei einer Bandbreite von mehr als 15 GHz. Die Zweiseitenbandrauschzahl liegt bei moderaten 7,5 dB. Die gemessene Phasen- und Amplitudenabweichung sind geringer als 5° und geringer als 0,15 dB. Die Gesamtschaltung nimmt 360 mW Leistung aus einer 2,2-V-Spannungsquelle auf. Insbesondere die Bandbreite des Empfängerschaltkreises stellt eine Verbesserung des aktuellen Standes der Technik dar.The present work studies the development of a monolithic 60 GHz receiver IC in a modern 190 GHz-fT silicon-germanium semiconductor technology. The design is based on three fundamental principles, which are of great importance for MMIC receiver design: noise optimisation, bandwidth enhancement and output power considerations. Those principles are discussed in detail, and typical circuit examples are comprehensively analysed. Specifically, a method is presented that allows the prediction of output power for the frequently-used cascode stage. This method is an extension of Cripps’ load line theory. Furthermore, modelling approaches for transmission lines and their suitability for various types of simulations are discussed. The main part focuses on the design process of the receiver IC, which consists of a broadband low noise amplifier with variable gain, a power divider, a zero-IF quadrature mixer, a baseband amplifier, an LO driver amplifier and a 90°-phase shifter. Additionally, several reference current and voltage sources are implemented in the IC. The manufactured circuit is characterised in detail, and all measurement results are presented. Over a bandwidth of more than 15 GHz, the measured conversion gain is up to 40 dB with a moderate double sideband noise figure of 7.5 dB. An I/Q imbalance measurement reveals a phase accuracy of better than 5° and an amplitude error of less than 0.15 dB. The total power consumption is 360 mW from a 2.2 V-source. Particularly in terms of bandwidth, the circuit performance exceeds the current state of the art

Proceedings EMV Kongress 2022 : Internationale Fachmesse und Kongress für Elektromagnetische Verträglichkeit

Proceedings der EMV 202