Aufbau einer optischen Freiraumübertragungsstrecke1ex mit
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Aufbau einer optischen Freiraumübertragungsstrecke mit Nutzung von USRP-Bausteinen als Signalgenerator und Empfänger Richard Risling Aufbau einer optischen Freiraumübertragungsstrecke Richard Risling p.1 Chair of Communication Systems Übersicht 1 Motivation & Zielsetzung 2 Grundlagen 3 Konzeptentwurf der Übertragungsstrecke 4 Implementierung der digitalen Vorverzerrung 5 Test & Verifikation 6 Zusammenfassung und Ausblick Aufbau einer optischen Freiraumübertragungsstrecke Richard Risling p.2 Chair of Communication Systems Motivation & Zielsetzung Motivation: In Raumbeleuchtung integrierte Signalquelle • Breitbandige drahtlose Kommunikation innerhalb geschlossener Räumlichkeiten • Keine weitere Auslastung der sonst üblichen ISM-Bänder (z.B. WLAN 2,4 GHz & 5 GHz) Zielsetzung: Konzeptentwurf zum Aufbau der optischen Freiraumübertragungsstrecke Untersuchung und Implementierung geeigneter OFDM-Verfahren zur optischen Datenübertragung Softwaretechnische Kompensation nichtlinearer Effekte Aufbau einer optischen Freiraumübertragungsstrecke Richard Risling p.3 Chair of Communication Systems Grundlagen 1 Motivation & Zielsetzung 2 Grundlagen 3 Konzeptentwurf der Übertragungsstrecke 4 Implementierung der digitalen Vorverzerrung 5 Test & Verifikation 6 Zusammenfassung und Ausblick Aufbau einer optischen Freiraumübertragungsstrecke Richard Risling p.4 Chair of Communication Systems Grundlagen Kurzübersicht OFDM Verbreitetes Verfahren zur digitalen Funkübertragung Grundidee: • Aufteilung der Gesamtbandbreite in N orthogonale Unterträger Vorteil: • Robustes Übertragungsverfahren gegenüber frequenzselektiven Fading • Hohe spektrale Effizienz • Flexible Kanalanpassung möglich Fragestellung: → Existieren OFDM-Verfahren die sich für die optischen Datenübertragung eignen? Aufbau einer optischen Freiraumübertragungsstrecke Richard Risling p.5 Chair of Communication Systems Grundlagen Intensitätsmodulation Hauptunterschied: Modulation der optischen Intensität statt des elektrischen Feldes → Unipolares Signal nötig Lösungsansatz: DC-biased optical OFDM (DCO-OFDM) • Unipolares Signal durch Gleichspannungsoffset Asymmetrical clipped optical OFDM (ACO-OFDM) • → Unipolares Signal durch Clipping von Signalanteile kleiner Null Unter Verwendung ausschließlich ungeradzahliger Unterträger wirkt sich Clipping nur als rauschähnliche Störung der geradzahligen Unterträgern aus Aufbau einer optischen Freiraumübertragungsstrecke Richard Risling p.6 Chair of Communication Systems Grundlagen Vergleich DCO-OFDM & ACO-OFDM Für DCO-OFDM werden geradzahlige und ungeradzahlige Unterträger verwendet • Höhere spektrale Effizienz Für ACO-OFDM kein zusätzlicher DC-Offset nötig • Effizientere Nutzung der optischen Leistung Zu berücksichtigen: Konstante mittlere optische Ausgangsleistung zur Raumbeleuchtung erwünscht → Somit favorisiertes Verfahren: DCO-OFDM Aufbau einer optischen Freiraumübertragungsstrecke Richard Risling p.7 Chair of Communication Systems Grundlagen DCO-OFDM & Clipping OFDM-Signale besitzen großes peak-to-average power ratio (PAPR) Auftreten von vermehrten Clipping bei unzureichend großen DC-Offset xclip(t) xOFDM(t) x (t) DC t Clipping Aufbau einer optischen Freiraumübertragungsstrecke Richard Risling p.8 Chair of Communication Systems Konzeptentwurf der Übertragungsstrecke 1 Motivation & Zielsetzung 2 Grundlagen 3 Konzeptentwurf der Übertragungsstrecke 4 Implementierung der digitalen Vorverzerrung 5 Test & Verifikation 6 Zusammenfassung und Ausblick Aufbau einer optischen Freiraumübertragungsstrecke Richard Risling p.9 Chair of Communication Systems Konzeptentwurf der Übertragungsstrecke Physikalischer Aufbau Ursprüngliches Konzept: Optische Basisbandübertragung (Bis zu 100 MHz) → Aufgrund fehlender Gleichspannungskopplung der Übertragungsstrecke nicht möglich Alternativ: Optische Zwischenfrequenzübertragung (1 MHz bis 100 MHz) USRP#1 HF Tiefpass#2 PA ZF cos(2 fLOt) Tiefpass#1 USRP#2 HF Tiefpass#2 ZF Bias-Tee LD DC LNA PD cos(2 fLOt) Aufbau einer optischen Freiraumübertragungsstrecke Richard Risling p.10 Chair of Communication Systems optische Übertragung Tiefpass#1 Konzeptentwurf der Übertragungsstrecke Frequenzumsetzung Ringmodulatoren erzeugen weitere Spektren bei vielfachen der LO-Frequenz • Weitere Filter nötig • Filterung bei der Frequenzumsetzung von der HF- auf die ZF-Lage nicht ausreichend → Unerwünschte Überlagerung mit weiteren Spektren möglich Frequenzumsetzung mit: fLO = fHF − fZF Tiefpass#2 fHF |X(f )| -fHF -fZF ... fZF fLO fLO -175 -150 -125 -100 -75 -50 -25 0 Aufbau einer optischen Freiraumübertragungsstrecke 25 50 ... 75 100 125 150 175 f/MHz Richard Risling p.11 Chair of Communication Systems Konzeptentwurf der Übertragungsstrecke Frequenzumsetzung Lösungsansatz: • → • Mischen der Spiegelfrequenz auf die ZF-Lage Frequenzabstand zu weiteren Spektren stets größer 100 MHz ( fLO > 100 MHz) Kehrlage wird empfängerseitig durch erneutes Mischen der Spiegelfrequenz aufgehoben Frequenzumsetzung mit: fLO = fHF + fZF Tiefpass#2 fHF |X(f )| -fHF -fZF fZF ... fLO fLO -175 -150 -125 -100 -75 -50 -25 0 Aufbau einer optischen Freiraumübertragungsstrecke 25 50 ... 75 100 125 150 175 f/MHz Richard Risling p.12 Chair of Communication Systems Implementierung der digitalen Vorverzerrung 1 Motivation & Zielsetzung 2 Grundlagen 3 Konzeptentwurf der Übertragungsstrecke 4 Implementierung der digitalen Vorverzerrung 5 Test & Verifikation 6 Zusammenfassung und Ausblick Aufbau einer optischen Freiraumübertragungsstrecke Richard Risling p.13 Chair of Communication Systems Implementierung der digitalen Vorverzerrung Nichtlineare Effekte Unterscheidung nichtlinearer Effekten in: Nichtlinearität ohne Memory-Effekt → Statische Nichtlinearität (z.B. durch Clipping) Nichtlinearität mit Memory-Effekt → Dynamische Nichtlinearität (z.B. durch signalabhängigen thermischen Drift) Hier: Betrachtung statischer Nichtlinearität ohne oder mit vernachlässigbarem Memory-Effekt → Kompensation durch digitale Vorverzerrung (DPD, engl.: digital predistortion) Aufbau einer optischen Freiraumübertragungsstrecke Richard Risling p.14 Chair of Communication Systems Implementierung der digitalen Vorverzerrung Beschreibung der Nichtlinearität Soweit die Trägerfrequenz deutlich größer der Signalbandbreite ist, kann das Signal für hinreichend kurze Zeiten als sinusförmig betrachtet werden → Quasi-konstante komplexe Einhüllende x(t) komplexe Einhüllende t Aufbau einer optischen Freiraumübertragungsstrecke Richard Risling p.15 Chair of Communication Systems Implementierung der digitalen Vorverzerrung Beschreibung der Nichtlinearität Periodische Signale bleiben nach statisch nichtlinearen Verzerrungen weiterhin periodisch Statisch nichtlineare Verzerrungen sinusförmiger Signale äußern sich somit durch: Ausbildung weiterer Oberwellen → Oberwellen können gefiltert werden Verzerrung der Amplitude/Phase der informationstragenden Grundwelle → Kann bei bekannter Charakteristik durch entgegengesetzte Verzerrung kompensiert werden Verzerrungen der Grundwelle werden durch AM-AM- & AM-PM-Kennlinien beschrieben Aufbau einer optischen Freiraumübertragungsstrecke Richard Risling p.16 Chair of Communication Systems Implementierung der digitalen Vorverzerrung Messsoftware Funktion der Messsoftware: • Messung der AM-AM-/AM-PMKennlinie • Invertieren der AM-AM-/AM-PMKennlinie • Exportieren der AM-AM-/AM-PMKennlinie als lookup-Tabelle Aufbau einer optischen Freiraumübertragungsstrecke Richard Risling p.17 Chair of Communication Systems Implementierung der digitalen Vorverzerrung Vorverzerrungsmodul Funktion des Vorverzerrungsmoduls: • Wird als Baustein in bestehende LabVIEW-Programme integriert • Importieren der von der Messsoftware bestimmten AM-AM-/AM-PM-Kennlinie • Inverse Verzerrung des digitalen Basisbandsignals LUT x aus x ein → Zur digitalen Vorverzerrung ist eine 5-fache Überabtastung des Signals nötig Aufbau einer optischen Freiraumübertragungsstrecke Richard Risling p.18 Chair of Communication Systems Implementierung der digitalen Vorverzerrung Signalverarbeitung Entstehung weiterer Spektralanteile im digitalen Basisband durch die digitale Vorverzerrung Spektralanteile treten zum Teil außerhalb der Basisbandbreite auf → Höhere Abtastrate notwendig 0 Signalquelle 5xBB 5xBB 1xBB f 0 DUC f 0 DPD 5xBB f fLO USRP 1xBB f fLO NL f ... digitale Signalverarbeitung → Nur 20% der digitalen Basisbandbreite kann senderseitig zur Datenübertragung genutzt werden Aufbau einer optischen Freiraumübertragungsstrecke Richard Risling p.19 Chair of Communication Systems Implementierung der digitalen Vorverzerrung Zweitonmessung ohne digitale Vorverzerrung Intermodulationsprodukte durch nichtlineare Verzerrung am elektro-optischen Wandler USRP#1 (a) LD cos(2πfLOt) USRP#2 DC (b) PD cos(2πfLOt) -40 (a) -60 -80 P /dBm P /dBm -60 -40 -100 -120 -140 149.5 (b) -80 -100 -120 150 f / MHz 150.5 Aufbau einer optischen Freiraumübertragungsstrecke -140 149.5 150 f / MHz Richard Risling p.20 Chair of Communication Systems 150.5 Implementierung der digitalen Vorverzerrung Zweitonmessung mit digitale Vorverzerrung Weitere Spektralanteile im digitalen Basisband nach digitaler Vorverzerrung USRP#1 USRP#2 (b) PD -40 (a) -60 P /dBm P /dBm DC cos(2fLOt) -80 -100 -120 -140 149.5 LD cos(2fLOt) -40 -60 (a) (b) -80 -100 -120 150 f / MHz 150.5 Aufbau einer optischen Freiraumübertragungsstrecke -140 149.5 150 f / MHz Richard Risling p.21 Chair of Communication Systems 150.5 Test & Verifikation 1 Motivation & Zielsetzung 2 Grundlagen 3 Konzeptentwurf der Übertragungsstrecke 4 Implementierung der digitalen Vorverzerrung 5 Test & Verifikation 6 Zusammenfassung und Ausblick Aufbau einer optischen Freiraumübertragungsstrecke Richard Risling p.22 Chair of Communication Systems Test & Verifikation AM-AM- & AM-PM-Kennlinie LED-Array 10 1 I = 25 mA I = 50 mA I = 75 mA I =100 mA I =150 mA I =200 mA 0.6 5 I 0.4 Phase [°] Amplitude 0.8 0 0.2 0 -5 0 0.2 0.4 0.6 Eingangswert 0.8 1 0 0.2 0.4 0.6 Eingangswert 0.8 1 Nichtlinearer Kennlinienverlauf durch Clipping am elektro-optischen Wandler Im Nachfolgenden: Linearisierung der Kennlinie für I = 50 mA Aufbau einer optischen Freiraumübertragungsstrecke Richard Risling p.23 Chair of Communication Systems Test & Verifikation Adjacent Channel Power Ratio (ACPR) -30 -40 P / dBm -50 -60 (a) linear (b) nichtlinear (c) nichtlinear mit DPD unterer Nachbarkanal Sendekanal oberer Nachbarkanal -70 -80 -90 -100 149.5 149.6 149.7 149.8 149.9 150 150.1 150.2 150.3 150.4 150.5 f /M Hz Aufbau einer optischen Freiraumübertragungsstrecke Richard Risling p.24 Chair of Communication Systems Test & Verifikation Error Vector Magnitude (EVM) Definition: EVM [dB] = 10 · log 2 |e| |v|2 Q Q Q 1 1 1 0.5 0.5 0.5 I -0.5 -1 -1 I -0.5 -0.5 -0.5 (a) linear EV -37 0.5 1 -1 -1 I -0.5 0.5 (b) ni htlin ar EV -21 Aufbau einer optischen Freiraumübertragungsstrecke 1 -1 -1 -0.5 0.5 1 ( ) ni htlin ar mit DPD EV -37 Richard Risling p.25 Chair of Communication Systems Test & Verifikation SNIR in Abhängigkeit zur optisch überbrückten Weglänge Reduzierung der Signalleistung durch digitale Vorverzerrung Konstant schlechteres Signal-zu-Rausch-Verhältnis → Interferenzleistung kann durch digitale Vorverzerrung verringert werden SNIR-Gewinn für kurze optische Weglängen (hier: l < 1 m) → 50 B = 200 kHz (a) linear (b) nichtlinear (c) nichtlinear mit DPD SNIR [dB] 40 30 20 10 0 0.25 m 0.50 m 0.75 m 1.00 m 1.25 m 1.50 m 1.75 m 2.00 m 2.25 m 2.50 m Aufbau einer optischen Freiraumübertragungsstrecke Richard Risling p.26 Chair of Communication Systems Zusammenfassung und Ausblick 1 Motivation & Zielsetzung 2 Grundlagen 3 Konzeptentwurf der Übertragungsstrecke 4 Implementierung der digitalen Vorverzerrung 5 Test & Verifikation 6 Zusammenfassung und Ausblick Aufbau einer optischen Freiraumübertragungsstrecke Richard Risling p.27 Chair of Communication Systems Zusammenfassung und Ausblick Zusammenfassung: Entwurf und Umsetzung eines Konzepts einer unidirektionalen optischen Übertragungsstrecke mit einer nutzbareren Bandbreite von 1 MHz bis 100 MHz Untersuchung geeigneter optischer OFDM-Verfahren Implementierung einer softwaretechnischen Kompensation nichtlinearer Effekte mittels digitale Vorverzerrung Erprobung der Funktionstauglichkeit der optischen Freiraumübertragungsstrecke sowie der digitalen Vorverzerrung Ausblick: Erweiterung der digitalen Vorverzerrung um eine adaptive Anpassung denkbar Aufbau einer optischen Freiraumübertragungsstrecke Richard Risling p.28 Chair of Communication Systems Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Fragen? Es folgt eine Live-Demonstration Aufbau einer optischen Freiraumübertragungsstrecke Richard Risling p.29 Chair of Communication Systems
