A low complexity adaptive framework for the rate and performance enhancement of pmd limited fiber optic communication systems

Abstract

Bu tezde, fiber optik haberleşme sistemlerini geliştirmek için uyarlamalı sinyal işlemetabanlı bir sistem sunulmuştur. Sistemin bant genişliği verimini artırmak için, birbirindenbağımsız iki sinyalin iki dik polarizasyon üzerinden iletildiği Polarizasyon BölüşümlüÇoğullama (PBÇ) tekniğini, Gözü Kapalı Kaynak Ayrıştırma (GKKA) algoritmalarıylaberaber kullanıyoruz. PBÇ uyarlamalı alıcı dizayn problemini düşük ve yüksek sembolhızlarına göre iki ayrı duruma sınıflandırıyoruz. Düşük sembol hız durumunda asıl problem,gönderilen dizilerin anlık karışımlarından ayrıştırılmalarıdır. Yüksek sembol hız durumundaise, amaç sadece uzaydaki karışmayı ayrıştırmak değil, aynı zamanda zamandaki karışmayı,yani Polarizasyon Kipi Saçılması (PKS)'nın yol açtığı simgelerarası karışmayı düzeltmektir.Bu amaçlar için uyarlamalı yapılar geliştirmede ana kısıt çok yüksek hızdaki fiber haberleşmesinyallerinin işlenmesindeki günümüz teknolojisinin getirdiği kısıtlamalardır. Nitekim buamaçla, bu tezde öne sürülen yaklaşım, düşük karmaşıklığa sahip yöntemlerin geliştirilmesimerkezlidir. Önerilen yapılar ve yaklaşımlar genlik sınırlandırılmış sayısal haberleşmesinyalleri kullanan GKKA algoritmalarının özel bir sınıfı temellidir. Tezde izah edildiği üzere,genlik sınırlandırılmış GKKA yaklaşımı, sayısal haberleşme sinyallerinin haberleşme ortamıyüzünden hem zaman hem de uzayda karışmasını engellemek için düşük karmaşıklığa sahipalgoritmaların ve buna karşılık gelen donanım yapılarının geliştirilmesine imkan sağlar. Enzorlu görev yüksek sembol hızlarına karşılık gelen evrişimsel karışımları denkleştirmek içinuyarlamalı yapılar dizayn etmek olduğundan, bu probleme özel bir önem verilmiştir. Buamaçla, anlık karışımlar için olan temel genlik sınırlandırılmış algoritmanın yeni birimcilimsieşleme yaklaşımları kullanan algoritmik uzantıları geliştirilmiştir. Buna ek olarak, algoritmakarmaşıklığını azaltmak ve tümüyle analog denkleştiricileri mümkün kılabilmek için, genliksınırlandırılmış GKKA algoritmasının parametrik sürümleri de tanıtılmıştır. Sonuçları genliksınırlandırılmış GKKA algoritmasının her iki durumda da güzel yakınsama davranışlarıgösterdiğini belirten, önerilen algoritmaların yakınsama hızlarını ve sağlamlığını test edenbenzetimler yapılmıştır. Ve ayrıca algoritmanın, fiber kanaldaki zamana bağlı olandeğişimleri başarılı bir şekilde izleme kapasitesine sahip olduğunu gösteren benzetimsonuçlarını da sunuyoruz. Tüm benzetim sonuçları göstermektedir ki, genlik sınırlandırılmışGKKA tabanlı yaklaşım, PKS'den zarar gören optik haberleşme sistemlerinin hız veperformans artırımı için ümit veren bir sistem sağlamaktadır.

In this thesis, an adaptive signal processing based framework for theimprovement of fiber optical communication systems is presented. We usePolarization Division Multiplexing (PDM) technique in conjunction with theproposed blind source separation algorithms to increase the bandwidth efficiencyof the system where two independent signals are transmitted over two orthogonalpolarizations. We classify the PDM adaptive receiver design problem into twoseparate cases corresponding to low and high symbol rates. In the low symbolrate case, the main problem is to separate the transmitted sequences from theirinstantaneous mixtures. In the high symbol rate case, the goal is not only theseparation of mixing in space but also the compensation of the mixing in time,i.e., the Inter Symbol Interference (ISI), caused mainly by the Polarization ModeDispersion (PMD). Major constraints in the development of adaptive structuresfor these goals are the limitations imposed by the existing technology in terms ofprocessing very high rate fiber communication signals. In fact, the approachproposed in this thesis is centered around the development of low complexitymethods to address this issue. The proposed structures and algorithms arebased on the special class of Blind Source Separation (BSS) algorithmsexploiting magnitude boundedness of the digital communication signals. Asshown in the thesis, the use of the Magnitude Bounded BSS (MB-BSS) approachenables the development of low complexity algorithms and the correspondinghardware structures to counteract the mixing of digital communication signals inboth time and space caused by the communication medium. As the mostchallenging task is the design of adaptive structures for compensatingconvolutive mixtures corresponding to the high symbol rate, a special attention isgiven to this problem. For this purpose, the algorithmic extensions of the basicMB-BSS algorithm for instantaneous mixtures that make use of the novelparaunitary mapping approaches have been developed. Furthermore, theparametric versions of adaptive paraunitary MB-BSS algorithm are introduced forthe purpose of reducing complexity and enabling all-analog compensators.Simulations are used to illustrate the convergence speeds and robustness of theproposed algorithms whose results indicate that MB-BSS algorithm for both ofthe cases show nice convergence behaviors. We also present simulation resultsto demonstrate the successful tracking capability of the algorithm against timevariations of the fiber channel. All simulation results indicate that MB-BSS basedapproach provides a promising framework for the rate and performanceenhancement of optical communication systems which suffer from PMD.