Analysis of signal processing techniques for optical 112 Gb/s DP-QPSK receivers with experimental data

This paper evaluates several signal processing techniques for optical dual-polarization quadrature phase-shift keying (DP-QPSK) coherent receivers, using offline post-processing of experimental data. In addition to electronically separating the two polarization multiplexed signals, the investigated signal processing algorithms also compensate for chromatic dispersion (CD) and polarization mode dispersion (PMD). In particular, we investigate two distinct architectures: 1)Constant modulus algorithm (CMA) equalization followed by feedforward phase recovery. 2)Decision-directed least mean square (DD-LMS) equalization combined with decision-directed phase recovery. The interplay of both architectures with bulk dispersion compensators and carrier recovery algorithms is also analyzed

Hitless rate and bandwidth switching in dynamically recon gurable coherent optical systems

Grande parte de pesquisa em comunicações ópticas visa melhorar a e ciência de rede, otimizando o uso de banda e reduzindo consumo de potência. Os paradigmas emergentes, tais como a grade de frequências flexível métodos so sticados de chaveamento óptico e desfragmentação espectral, atribuem propriedades adaptativas para redes futuras, permitindo seu auto-ajuste às condições de transmissão e tráfego variáveis. De fato, as estatísticas de tráfego agregado em pontos de troca de tráfego da Internet exibem fortes flutuações ao decorrer do dia, sendo o valor médio em torno de 70%, e valor míniimo em torno de 20% do valor pico. No entanto, os sistemas ópticos atuais operam o seu lado linha na taxa nominal, o que leva a um elevado consumo de potência, desperdício de recursos espectrais, e saturação prematura de redes. No intuito de suportar as características de redes extáveis pela camada física, os transceptores ópticos de próxima geração devem ser capazes de ajustar suas taxas de transmissão e ocupação espectral de acordo com as demandas de tráfego variáveis. No entanto, um chaveamento convencional de taxa de transmissão requer interrupção de serviço, altamente indeseável na perspectiva das operadoras. Neste escopo, as principais contribuições dessa tese são dois métodos de chaveamento online sem impacto (hitless) da taxa de transmissão, que permitem reduzir o consumo de potência associado ao processamento digital de sinais durante períodos de baixo tráfego. O primeiro método foi desenvolvido para transceptores, cujos moduladores são alimentados por sinais binários combinados eletronicamente, e atende, principalmente, a cenários de alocação estática de banda. Aqui, a redução de taxa é realizada por meio de repetição de símbolos transmitidos, e o bloco equalizador convencional do receptor é substituído por uma estrutura multi-ramo, em que cada ramo da estrutura opera em uma taxa específica. A perda de sincronização durante chaveamento é evitada utilizando a saída do ramo ativo como sequência de treinamento para o ramo destino. O método pode, adicionalmente, atender à alocação dinâmica de banda, contanto que exista um mecanismo de cooperação entre transceptores ópticos e multiplexadores de inserção -extração ópticos reconfiguráveis. Neste caso, o ajuste espectral do sinal pode ser obtido por meio de uma filtragem óptica pelas chaves seletoras de frequência que suportam operação em grade flexível. O segundo método foi desenvolvido para transceptores com módulos de processamento digital de sinais no lado transmissor. O chaveamento de taxa é obtido por meio de aumento e redução de número de amostras por símbolo transmitido, mantendo a taxa de conversão digital-analógica. Neste caso, uma mudança de taxa de símbolo implica, também, em um ajuste correspondente da banda do sinal. Assim, o método pode suportar propriedades de alocação dinâmica de banda das redes elásticas. Nós demonstramos que, se o chaveamento de taxa e banda do sinal e realizado em passos intermediários suficientemente pequenos, o equalizador dinâmico do lado receptor consegue acompanhar as mudanças do sinal, mantendo a sincronização do sistema. O primeiro método foi validado em um arranjo experimental com transmissão a 100 Gb/s de um sinal modulado por chaveamento de fase e quadratura multiplexado em polarização, e processamento digital de sinais o ine. Ademais, realizamos simulações computacionais extensas, incluindo formatos de modulação por chaveamento de fase e quadratura e modulação de amplitude em quadratura de ordem 16, e investigamos o desempenho do método para sinais não-retorna-a-zero e retorna-a-zero, gerados no domínio óptico, e sinais Nyquist, gerados digitalmente. Os transientes de erros, que aparecem durante chaveamento para taxas mais altas, são evitados usando sequências de treinamento do equalizador su cientemente longas (acima de 40.000 símbolos). O método mostrou-se robusto contra a dispersão dos modos de polarização e ruído de fase dentro de especicacões aceitáveis. A principal vantagem deste método é que ele permite reduzir o consumo de potência associado ao processamento digital de sinais para compensação da dispersão cromática. Os resultados mostraram que uma redução pela metade da taxa de símbolos produz uma redução de em torno de 55% na complexidade computacional, devido à elevada duração de símbolo e aprimoramento da qualidade de sinal. Uma redução adicional de taxa para um quarto da taxa nominal permite desligar o equalizador da dispersão cromática, exceto em caso de pulsos Nyquist, em que o ganho em complexidade está em torno de 80%. O segundo método também foi validado em um arranjo experimental com transmissão a 100 Gb/s de um sinal modulado por chaveamento de fase e quadratura multiplexado em polarização e processamento digital de sinais o ine, utilizando um conjunto para desenvolvimento do conversor analógico-digital. Ao contrário da proposta anterior, este m etodo suporta alta granularidade com apenas um aumento marginal de complexidade computacional. Os resultados experimentais de redução e aumento de taxa em dez passos discretos não apresentaram transientes de erros, garantindo transmissão ininterrupta. O método pode ser usado para reduzir o consumo de potência devido à redução de vazão de dados após a interpolação do lado receptor. Adicionalmente, o consumo pode ser altamente reduzido em sistemas que suportam múlltiplos esquemas de correção de erros, aproveitando o aprimoramento da qualidade do sinal devido à redução de taxa de símbolos. Assim, um código corretor de erros complexo do tipo soft-decision, usado na taxa de transmissão nominal, pode ser substituído por um código do tipo hard-decision, com complexidade computacional reduzida. _________________________________________________________________________________________________ ABSTRACTMuch of the latest research in optical communications is directed towards increasing network e ciency, optimizing bandwidth usage and reducing power consumption. Emerging paradigms, such as exible frequency grid, sophisticated optical switching methods and spectral defragmentation, attribute adaptive properties to future networks, enabling them to adjust to the changing transmission and tra c conditions. To support these features, next-generation optical transponders must be capable of adjusting their transmission rate and bandwidth occupation according to the time-varying tra c demands. However, conventional rate-switching requires service interruption, which is highly undesirable from the operators' standpoint. Our contributions in the proposed thesis consist of two methods for hitless online rate switching that allow to reduce power consumption, associated with digital signal processing, during low tra c periods. The rst method is designed for transponders with binary-signal-driven transmit-side modulators, and targets primarily static bandwidth allocation scenarios. Here, rate reduction is achieved by symbol repetition, and a conventional receive-side equalizer block is replaced by a multi-branch structure, where each branch operates at a speci c transmission rate. Synchronization loss is avoided by using the output of the active branch as a training sequence for the target-rate branch. The method can also support dynamic bandwidth allocation, provided there is a cooperation mechanism between the optical transponders and the recon gurable add-drop multiplexers. Here, signal spectral adjustment can be obtained via optical ltering by ex-grid-enabled wavelength-selective switching. The second method targets transponders with transmit-side digital signal processing. Rate changing is achieved by increasing/reducing the number of samples per transmitted symbol, while maintaining a xed digital-to-analog conversion rate. Changing the symbol rate also implies in corresponding signal bandwidth adjustment, so that the method can support dynamic bandwidth allocation features of the next-generations elastic optical networks. We show that if the rate and bandwidth switching is performed in su ciently small discrete intermediate steps, the receive-side dynamic equalizer successfully tracks signal changes, maintaining system synchronism

Técnicas para redução de singularidades em receptores ópticos dp-qpsk que utilizam o algoritmo do módulo constante

Dissertação (mestrado)—Universidade de Brasília, Faculdade de Tecnologia, 2011.Este trabalho investiga de forma experimental o desempenho de algumas técnicas para evitar singularidades em receptores ópticos de sistemas DP-QPSK que operam na taxa de transmissão de 112 Gb/s, e cujos equalizadores utilizam o algoritmo do módulo constante (CMA) para a desconvolução e a separação de fontes. O termo “singularidade” se refere `a situação na qual ambas as saídas do equalizador convergem para o mesmo sinal de entrada. Os dados experimentais são obtidos usando um arranjo de transmissão que emula mudanças arbitrárias de polarização, ruído óptico, dispersão cromática e a dispersão dos modos de polarização de primeira ordem. A influência destes efeitos na ocorrência de singularidades é analisada individualmente. Em particular, são comparados os seguintes algoritmos: • CMA padrão; • CMA com restrição; • CMA de dois estágios; • CMA para usuários múltiplos (MU-CMA). É demonstrado que todos os algoritmos reduzem o número de singularidades de forma eficiente, melhorando, assim, as propriedades de convergência do equalizador. No entanto, sob certas condições, os algoritmos MU-CMA e CMA com restrição – ambos utilizados para inicialização do sistema – apresentaram melhor desempenho em comparação com CMA de dois estágios, que não distingue entre as fases de inicialização e de operação do sistema. `A luz dos resultados, considerando a sua baixa complexidade computacional, o CMA com restrição é recomendado para uso em sistemas práticos. _______________________________________________________________________________ ABSTRACTThis work experimentally investigates the performance of several techniques for singularity avoidance in optical receivers of dual-polarization quadrature phase shift keying (DP-QPSK) systems operating at the transmission rate of 112 Gb/s, and whose equalizers use the Constant Modulus Algorithm (CMA) for deconvolution and source separation. The term “singularity” refers to the condition where both equalizer outputs converge to the same input signal. Experimental data is acquired using a transmission setup that emulates arbitrary polarization changes, optical noise, chromatic dispersion (CD) and first-order polarization mode dispersion (PMD). The influence of these effects on the singularity occurrence is individually analyzed. Specifically, the following algorithms are compared: • Standard CMA; • Constrained CMA; • Two-Stage CMA; • Multi-User (MU) CMA. It is shown that all algorithms effectively mitigate singularities, thus improving equalizer convergence properties. However, under certain conditions, the Multi-User and Constrained CMA algorithms – both used for system startup – outperformed the Two-Stage CMA, which does not distinguish between the system startup and operation phases. In light of the results, considering also its low computational complexity, the Constrained CMA is recommended to be used in practical systems

Detecção de fadiga de condutores através de processamento de imagem em tempo real em sistemas embarcados

Monografia (graduação)—Universidade de Brasília, Faculdade de Tecnologia, Departamento de Engenharia Elétrica, 2009.Entre as principais causas de acidentes que envolvem motoristas profissionais, tais como os condutores de frotas de caminhões e ônibus interurbanos são sonolência e adormecimento no volante, causados por fadiga dos condutores, devido à carga horária exagerada e trabalho noturno. Em um país de grande extensão territorial, como o Brasil, com o transporte pesado predominantemente rodoviário, a redução de acidentes devidos aos fatores mencionados resultaria em economia significativa de recursos financeiros e salvamento de vidas. Assim, há uma necessidade de um dispositivo portátil e robusto que possa, de forma não invasiva, monitorar o estado de alerta do condutor. Por outro lado, os microprocessadores de arquitetura ARM são conhecidos como sendo eficientes em sistemas embarcados, com o número de tarefas reduzido. Visando o objetivo geral, de criação de dispositivo competitivo no mercado, o objetivo deste trabalho é configurar um sistema embarcado do tipo SBC (Single Board Computer) para adquirir imagens de uma câmera USB e realizar processamento de imagem pertinente ao objetivo geral (detecção de face/olho) em tempo real, o que envolve escolha e configuração do sistema operacional, configuração da câmera, escolha e implementação do algoritmo de detecção.Some of the main causes of accidents that involve professional drivers, such as truck and interstate bus conductors, are drowsiness and falling asleep “on the wheel”, caused by fatigue due to excessive work hours and night activity. In a country of a great territorial extension, such as Brazil, with predominantly terrestrial heavy transportation, the reduction of accidents from the mentioned factors would result in great economization of financial resources and life saving. Thus, there is a need for a portable and robust device, which could, in a non-invasive form, monitor the alertness state of the driver. Targeting the general goal of creating a market competitive device, the objective of this work is to configure an embedded system of SBC type (Single Board Computer) to obtain images from a USB camera and execute a pertinent to the purpose real time image processing (face/eye detection). That involves the choice and configuration of the operational system, camera configuration, choice and implementation of the detection algorithm

Gradual Symbol Rate Switching For Synchronous Operation Of Flexible Optical Transceivers

We propose and experimentally validate a novel synchronous symbol rate switching method for digitally shaped optical signals, based on synchronized transmit-and receive-side interpolators. We show that a gradually performed rate adjustment in small discrete steps allows the dynamic equalizer at the receiver to successfully track signal changes. The proposed technique may be exploited, e.g., to reduce power consumption during night-time. Furthermore, the released spectrum may be used to accommodate other short-living opportunistic demands, such as in data center traffic.284505508Financiadora de Estudos e Projetos (FINEP)Fundo para o Desenvolvimento Tecnologico das Telecomunicacoes (FUNTTEL)Brazilian Ministry of Communication