Low Complexity Decoding for Punctured Trellis-Coded Modulation Over Intersymbol Interference Channels

Classical trellis-coded modulation (TCM) as introduced by Ungerboeck in 1976/1983 uses a signal constellation of twice the cardinality compared to an uncoded transmission with one bit of redundancy per PAM symbol, i.e., application of codes with rates $\frac{n-1}{n}$ when $2^{n}$ denotes the cardinality of the signal constellation. The original approach therefore only comprises integer transmission rates, i.e., $R=\left\{ 2,\,3,\,4\,\ldots \right\}$, additionally, when transmitting over an intersymbol interference (ISI) channel an optimum decoding scheme would perform equalization and decoding of the channel code jointly. In this paper, we allow rate adjustment for TCM by means of puncturing the convolutional code (CC) on which a TCM scheme is based on. In this case a nontrivial mapping of the output symbols of the CC to signal points results in a time-variant trellis. We propose an efficient technique to integrate an ISI-channel into this trellis and show that the computational complexity can be significantly reduced by means of a reduced state sequence estimation (RSSE) algorithm for time-variant trellises.Comment: 4 pages, 7 pictured, accepted for 2014 International Zurich Seminar on Communication

Symmetric complex-valued RBF receiver for multiple-antenna aided wireless systems

A nonlinear beamforming assisted detector is proposed for multiple-antenna-aided wireless systems employing complex-valued quadrature phase shift-keying modulation. By exploiting the inherent symmetry of the optimal Bayesian detection solution, a novel complex-valued symmetric radial basis function (SRBF)-network-based detector is developed, which is capable of approaching the optimal Bayesian performance using channel-impaired training data. In the uplink case, adaptive nonlinear beamforming can be efficiently implemented by estimating the system’s channel matrix based on the least squares channel estimate. Adaptive implementation of nonlinear beamforming in the downlink case by contrast is much more challenging, and we adopt a cluster-variationenhanced clustering algorithm to directly identify the SRBF center vectors required for realizing the optimal Bayesian detector. A simulation example is included to demonstrate the achievable performance improvement by the proposed adaptive nonlinear beamforming solution over the theoretical linear minimum bit error rate beamforming benchmark

Maximum-Likelihood Sequence Detection of Multiple Antenna Systems over Dispersive Channels via Sphere Decoding

Multiple antenna systems are capable of providing high data rate transmissions over wireless channels. When the channels are dispersive, the signal at each receive antenna is a combination of both the current and past symbols sent from all transmit antennas corrupted by noise. The optimal receiver is a maximum-likelihood sequence detector and is often considered to be practically infeasible due to high computational complexity (exponential in number of antennas and channel memory). Therefore, in practice, one often settles for a less complex suboptimal receiver structure, typically with an equalizer meant to suppress both the intersymbol and interuser interference, followed by the decoder. We propose a sphere decoding for the sequence detection in multiple antenna communication systems over dispersive channels. The sphere decoding provides the maximum-likelihood estimate with computational complexity comparable to the standard space-time decision-feedback equalizing (DFE) algorithms. The performance and complexity of the sphere decoding are compared with the DFE algorithm by means of simulations

Advanced Signal Processing for Pulse-Amplitude Modulation Optical Transmission Systems

[ES] Los sistemas de transmisión óptica no-coherente se emplean actualmente en las redes ópticas de corto alcance (< 80 km), como son las redes de ámbito metropolitano. La implementación más común en el estado del arte se basa en sistemas que emplean multiplexación por división en longitud de onda (WDM, wavelength division multiplexing) de cuatro longitudes de onda (¿) proporcionando un régimen binario de 100 Gbps (4¿×25 Gbps). En los últimos años, los sistemas de transmisión ópticos no-coherentes están evolucionando desde 100 Gbps a 400 Gbps (4¿×100 Gbps). Dado que este mercado comprende un gran número de sistemas, el coste es un parámetro importante que debe ser lo más bajo posible. El objetivo de esta tesis es investigar distintos aspectos del procesado de señal en general y, específicamente, investigar nuevas técnicas de procesado digital de señal (DSP, digital signal processing) que puedan ser utilizadas en sistemas de transmisión óptica no-coherentes empleando la modulación por amplitud de pulsos (PAM, pulse-amplitude modulation). Para que una técnica DSP sea interesante en el contexto de una red óptica WDM no-coherente, esta debe mitigar de manera efectiva al menos una de las tres limitaciones principales que afectan a estos sistemas: limitaciones de ancho de banda, limitaciones por dispersión cromática (CD), y el ruido. En esta tesis se proponen y examinan una serie de algoritmos cuyo su rendimiento es analizado mediante simulación y experimentalmente en laboratorio: - Feed-forward equalizer (FFE): este es el esquema de ecualización más común que se emplea principalmente en las transmisiones ópticas no-coherentes de alto régimen binario. Puede compensar grandes limitaciones en el ancho de banda. - Estimación de la secuencia de máxima verosimilitud (MLSE): el MLSE es un detector óptimo y, por lo tanto, proporciona las mejores prestaciones en detección cuando se abordan las limitaciones por CD y de ancho de banda. - Conformación geométrica de la constelación: en los esquemas de modulación de intensidad óptica multinivel, la distancia entre los niveles de amplitud puede ajustarse adecuadamente (de manera que no son equidistantes) a fin de aumentar la tolerancia de la señal frente al ruido. - Conformación probabilística: técnica diseñada específicamente para esquemas de modulación multinivel. Esta técnica ajusta la probabilidad de cada nivel de amplitud de modo que se incrementa la tolerancia al ruido óptico. - Señalización de respuesta parcial (PRS, partial signaling response): este es un enfoque basado en DSP donde una interferencia entre símbolos (ISI, inter-symbol interference) controlada es introducida intencionalmente de tal manera que la señal resultante requiere menos ancho de banda. La técnica PRS puede adaptarse para combatir también el efecto de CD. - Pre-énfasis digital (DPE, digital pre-emphasis): esta técnica consiste en aplicar el inverso de la función de transferencia del sistema a la señal en el transmisor, lo que reduce el impacto de las limitaciones de ancho de banda en el receptor. - Modulación con codificación Trellis (TCM, Trellis-coded modulation): esquema de modulación que combina elementos de corrección de errores (FEC, forward error correction) con técnicas de partición en conjuntos y modulación multidimensional para generar una señal más resistente al ruido. - Modulación multidimensional por partición en conjuntos: muy similar a TCM, pero sin ningún elemento FEC. Tiene menos ganancias que TCM en términos de tolerancia al ruido, pero no es tan sensible al ISI. Utilizando estas técnicas, esta tesis demuestra que es posible lograr una transmisión óptica con régimen binario de 100 Gbps/¿ empleando componentes de bajo coste. En esta tesis también demuestra regímenes binarios de más de 200 Gbps, lo que indica que la transmisión óptica no-coherente con modulación PAM puede ser una solución viable y eficiente en coste[CA] Actualment, s'utilitzen sistemes òptics no coherents en xarxes òptiques de curt abast ( < 80 km), com són les xarxes d'àmbit metropolità. La implementació més comuna que podem trobar en l'estat de l'art es correspon amb sistemes emplenant multiplexació per divisió en longitud d'ona (WDM, wavelength division multiplexing) de quatre longituds d'ona (¿) proporcionant un règim binari de 100 Gbps (4¿×25 Gbps). En els últims anys, els sistemes de transmissió òptica no-coherents han evolucionat des de 100 Gbps cap a 400 Gbps (100 Gbps/¿). Atès que el mercat de sistemes de curt abast compren un gran volum de dispositius òptics instal·lats, el cost unitari és molt important i ha de ser el més baix possible. L'objectiu d'aquesta tesi és analitzar aspectes del processament de senyal en general i, específicament, investigar noves tècniques de processament digital de senyal (DSP, digital signal processing) que puguen ser utilitzades en sistemes de transmissió òptica no-coherent que utilitzen la modulació per amplitud d'impulsos (PAM, pulse-amplitude modulation). Per tal que una tècnica DSP es considere interessant per a una xarxa òptica WDM no-coherent, aquesta ha de mitigar efectivament almenys una de les tres principals limitacions que afecten aquests sistemes: limitacions d'ample de banda, limitacions per dispersió cromàtica (CD), i el soroll. En aquesta tesi s'examinen una sèrie d'algoritmes, el seu rendiment s'analitza per simulació i experimentalment en laboratori: - Feed-forward equalizer (FFE): aquest és l'esquema d'equalització més comú i s'utilitza bàsicament en les transmissions òptiques no coherents d'alt règim binari. Pot compensar grans quantitats de limitacions d'ample de banda. - Estimació de la seqüència de probabilitat màxima (MLSE): el MLSE és un detector òptim i, per tant, proporciona el millor rendiment quan es tracta de limitacions d'ample de banda i de CD. - Conformació geomètrica de la constel·lació: en esquemes de modulació òptica d'intensitat multinivell es pot ajustar la distància entre els nivells d'amplitud (de manera que ja no són equidistants) per augmentar la tolerància del senyal al soroll. - Conformació probabilística: una tècnica dissenyada específicament per als esquemes de modulació multinivell; ajusta la probabilitat de cada nivell d'amplitud de manera que augmenta la tolerància al soroll òptic. - Senyalització de resposta parcial (PRS, partial signaling response): és un enfocament basat en DSP on la interferència entre símbols (ISI, inter-symbol interference) controlada s'introdueix intencionalment de manera que el senyal resultant requereix menys ample de banda. La tècnica PRS es pot adaptar per combatre els efectes del CD. - Pre-èmfasi digital (DPE, digital pre-emphasis): aquesta tècnica consisteix a aplicar la inversió de la funció de transferència del sistema a la senyal en el transmissor de manera que es redueix l'impacte de les limitacions d'ample de banda en la senyal en el receptor. - Modulació amb codificació Trellis (TCM, Trellis-coded modulation): esquema de modulació que combina els elements de correcció d'errors avançats (FEC, forward error correction) amb tècniques de partionament de conjunts i modulació multidimensional per generar un senyal més resistent al soroll. - Modulació multidimensional per partició en conjuntes: molt similar a TCM però sense elements FEC. Té guanys menors que TCM en termes de tolerància al soroll, però no és tan sensible a l'ISI. Mitjançant l'ús d'aquestes tècniques, aquesta tesi demostra que és possible aconseguir una transmissió òptica amb un règim binari de 100 Gbps/¿ utilitzant components de baix cost. Esta tesi també demostra règims binaris de més de 200 Gbps, el que indica que la tecnologia no-coherent amb modulació PAM és una solució viable i eficient en cost per a una nova generació de sistemes transceptors òptics WDM funcionant a 800 Gbps (4¿×200 G[EN] Non-coherent optical transmission systems are currently employed in short-reach optical networks (reach shorter than 80 km), like metro networks. The most common implementation in the state-of-the-art is the four wavelength (¿) 100 Gbps (4¿×25 Gbps) wavelength division multiplexing (WDM) transceiver. In recent years non-coherent optical transmissions are evolving from 100 Gbps to 400 Gbps (4¿×100 Gbps). Since in the short-reach market the volume of optical devices being deployed is very large, the cost-per-unit of the devices is very important, and it should be as low as possible. The goal of this thesis is to investigate some general signal processing aspects and, specifically, digital signal processing (DSP) techniques required in non-coherent pulse-amplitude modulation (PAM) optical transmission, and also to investigate novel algorithms which could be applied to this application scenario. In order for a DSP technique to be considered an interesting solution for non-coherent WDM optical networks it has to effectively mitigate at least one of the three main impairments affecting such systems: bandwidth limitations, chromatic dispersion (CD) and noise (in optical or electrical domain). A series of algorithms are proposed and examined in this thesis, and their performance is analyzed by simulation and also experimentally in the laboratory: - Feed-forward equalization (FFE): this is the most common equalizer and it is basically employed in every high-speed non-coherent optical transmission. It can compensate high bandwidth limitations. - Maximum likelihood sequence estimation (MLSE): the MLSE is the optimum detector and thus provides the best performance when it comes to dealing with CD and bandwidth limitations. - Geometrical constellation shaping: in multilevel optical intensity modulation schemes the distance between amplitude levels can be adjusted (such that they are no longer equidistant) in order to increase the signal's tolerance to noise. - Probabilistic shaping: another technique designed specifically for multilevel modulation schemes; it adjusts the probability of each amplitude level such that the tolerance to optical noise is increased. - Partial response signaling (PRS): this is a DSP-based approach where a controlled inter-symbol interference (ISI) is intentionally introduced in such a way that the resulting signal requires less bandwidth. PRS can be customized to also mitigate CD impairment, effectively increasing transmission distances up to three times. - Digital pre-emphasis (DPE): this technique consists in applying the inverse of the transfer function of the system to the signal at the transmitter side which reduces the impact of bandwidth limitations on the signal at the receiver side. - Trellis-coded modulation (TCM): a modulation scheme that combines forward error correction (FEC) elements with set-partitioning techniques and multidimensional modulation to generate a signal that is more resistant to noise. - Multidimensional set-partitioned modulation: very similar with TCM but without any FEC elements. It has lower gains than TCM in terms of noise tolerance but is not so sensitive to ISI. By using the techniques enumerated above, this thesis demonstrates that is possible to achieve 100 Gbps/¿ optical transmission bitrate employing cost-effective components. Even more, bitrates higher than 200 Gbps are also demonstrated, indicating that non-coherent PAM is a viable cost-effective solution for next-generation 800 Gbps (4¿×200 Gbps) WDM transceivers.Prodaniuc, C. (2019). Advanced Signal Processing for Pulse-Amplitude Modulation Optical Transmission Systems [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/117315TESI

Adaptive equalisation for fading digital communication channels

This thesis considers the design of new adaptive equalisers for fading digital communication channels. The role of equalisation is discussed in the context of the functions of a digital radio communication system and both conventional and more recent novel equaliser designs are described. The application of recurrent neural networks to the problem of equalisation is developed from a theoretical study of a single node structure to the design of multinode structures. These neural networks are shown to cancel intersymbol interference in a manner mimicking conventional techniques and simulations demonstrate their sensitivity to symbol estimation errors. In addition the error mechanisms of conventional maximum likelihood equalisers operating on rapidly time-varying channels are investigated and highlight the problems of channel estimation using delayed and often incorrect symbol estimates. The relative sensitivity of Bayesian equalisation techniques to errors in the channel estimate is studied and demonstrates that the structure's equalisation capability is also susceptible to such errors. Applications of multiple channel estimator methods are developed, leading to reduced complexity structures which trade performance for a smaller computational load. These novel structures are shown to provide an improvement over the conventional techniques, especially for rapidly time-varying channels, by reducing the time delay in the channel estimation process. Finally, the use of confidence measures of the equaliser's symbol estimates in order to improve channel estimation is studied and isolates the critical areas in the development of the technique — the production of reliable confidence measures by the equalisers and the statistics of symbol estimation error bursts

Passive optical network (PON) monitoring using optical coding technology

Les réseaux optiques passifs (PON) semblent être la technologie gagnante et ultime du futur pour les "fibres jusqu'au domicile" ayant une haute capacité. L'écoute de contrôle de ce genre de système est nécessaire pour s'assurer un niveau de qualité de service prédéterminé pour chaque client. En outre, l'écoute de contrôle réduit considérablement les dépenses en capital et de fonctionnement (CAPEX et OPEX), tant pour le fournisseur du réseau que les clients. Alors que la capacité des PON est croissante, les gestionnaires de réseau ne disposent pas encore d'une technologie efficace et appropriée pour l'écoute de contrôle des réseaux de capacité aussi élevée. Une variété de solutions a été proposée. Toutes ces dernières solutions ne sont pas pratiques à cause de leur faible capacité (nombre de clients), d'une faible évolutivité, d'une grande complexité et des défis technologiques. Plus important encore, la technologie souhaitable pour l'écoute de contrôle devrait être rentable car le marché des PON est très sensible aux coûts. Dans cette thèse, nous considérons l'application de la technologie du codage optique passif (OC) comme une solution prometteuse pour l'écoute de contrôle centralisée d'un réseau optique ramifié tels que les réseaux PON. Dans la première étape, nous développons une expression pour le signal détecté par l'écoute de contrôle et étudions ses statistiques. Nous trouvons une nouvelle expression explicite pour le rapport signal utile/signal brouillé (SIR) comme outil de mesure métrique de performance. Nous considérons cinq distributions PON géographiques différentes et étudions leurs effets sur l'SIR pour l'écoute de contrôle d'OC. Dans la prochaine étape, nous généralisons notre modèle mathématique et ses expressions pour le contrôle des signaux détectés par un détecteur quadratique et des paramètres réalistes. Nous évaluons ensuite les performances théoriques de la technologie basée sur l'écoute de contrôle selon le rapport signal/bruit (SNR), le rapport signal/bruit plus coefficient d'interférence (SNIR), et la probabilité de fausse alarme. Nous élaborons l'effet de la puissance d'impulsion transmise, la taille du réseau et la cohérence de la source lumineuse sur le rendement des codes unidimensionnels (ID) et bidimensionnels (2D) de l'écoute de contrôle d'OC. Une conception optimale est également abordée. Enfin, nous appliquons les tests de Neyman-Pearson pour le récepteur de notre système d'écoute de contrôle et enquêtons sur la façon dont le codage et la taille du réseau affectent les dépenses de fonctionnement (OPEX) de notre système d'écoute de contrôle. Malgré le fait que les codes ID et 2D fournissent des performances acceptables, elles exigent des encodeurs avec un nombre élevé de composants optiques : ils sont encombrants, causent des pertes, et ils sont coûteux. Par conséquent, nous proposons un nouveau schéma de codage simple et plus approprié pour notre application de l'écoute de contrôle que nous appelons le codage périodique. Par simulation, nous évaluons l'efficacité de l'écoute de contrôle en terme de SNR pour un PON employant cette technologie. Ce système de codage est utilisé dans notre vérification expérimentale de l'écoute de contrôle d'OC. Nous étudions expérimentalement et par simulation, l'écoute de contrôle d'un PON utilisant la technologie de codage périodique. Nous discutons des problèmes de conception pour le codage périodique et les critères de détection optimale. Nous développons également un algorithme séquentiel pour le maximum de vraisemblance avec une complexité réduite. Nous menons des expériences pour valider notre algorithme de détection à l'aide de quatre encodeurs périodiques que nous avons conçus et fabriqués. Nous menons également des simulations de Monte-Carlo pour des distributions géographiques de PON réalistes, avec des clients situés au hasard. Nous étudions l'effet de la zone de couverture et la taille du réseau (nombre d'abonnés) sur l'efficacité de calcul de notre algorithme. Nous offrons une borne sur la probabilité pour un réseau donné d'entraîner l'algorithme vers un temps exorbitant de surveillance du réseau, c'est à dire le délai d'attente de probabilité. Enfin, nous soulignons l'importance du moyennage pour remédier aux restrictions budgétaires en puissance/perte dans notre système de surveillance afin de supporter de plus grandes tailles de réseaux et plus grandes portées de fibres. Ensuite, nous mettrons à niveau notre dispositif expérimental pour démontrer un m PON avec 16 clients. Nous utilisons un laser à modulation d'exploitation directement à 1 GHz pour générer les impulsions sonde. Les données mesurées par le dispositif expérimental est exploité par l'algorithme de MLSE à détecter et à localiser les clients. Trois déploiements PON différents sont réalisés. Nous démontrons une surveillance plus rigoureuse pour les réseaux ayant une répartition géographique à plusieurs niveaux. Nous étudions aussi le budget de la perte de notre dispositif de soutien plus élevés de capacités du réseau. Enfin, nous étudions le budget total admissible de la perte d'exploitation du système de surveillance dans la bande de fréquences à 1650 nm en fonction des spécifications de l'émetteur/récepteur. En particulier, la limite totale de la perte de budget est représentée en fonction du gain de l'amplicateure de transimpédance (TIA) et le résolution de la conversion analogique-numérique (ADC). Par ailleurs, nous enquêtons sur le compromis entre la distance portée et la capacité (taille de fractionnement au niveau du noeud distant) dans notre système de suivi

A Combined Equaliser and Decoder for Maximum Likelihood Decoding of Convolutional Codes in the presence of ISI. Incorporation into GSM 3GPP Standard

The dissertation describes a new approach in combining the equalising and decoding operations in wireless telecommunications, namely MS decoder. It provides performance results (SNR) and carries out simulations based on GSM 3GPP standard