Die Datenübertragung in modernen optischen Nachrichtensystemen mit Kanaldatenraten von 10 bis 40 GBit/s wird von Intersymbolinterferenz (ISI) und Signalverzerrungen beeinträchtigt, die durch lineare Effekte wie chromatische Dispersion und Polarisationsmodendispersion (PMD) sowie durch nichtlineare Phänomene wie Selbstphasenmodulation (SPM) entstehen. Darüber hinaus erzeugen die verwendeten optischen Faserverstärker Rauschen durch spontane Emission, welche gerade bei Weitverkehrsnetzen die zu erzielenden Datenraten reduzieren. Um die Übertragung von Datenraten zwischen 10 und 40 GBit/s bei niedrigen Bitfehlerraten zu ermöglichen, kommen elektrische Entzerrungsverfahren und fehlerkorrigierende Codes (FEC) zum Einsatz. Gegenstand dieser Arbeit ist die Untersuchung der Turboentzerrung bei optischen Systemen. Im Gegensatz zur isolierten Betrachtung von Entzerrer und Decoder bilden diese hierbei ein zusammenhängendes System, in welchem sie iterativ Informationen austauschen. Der dadurch zu erzielende Gewinn soll untersucht werden. Dabei ist es nicht das Ziel, aussagekräftige Bitfehlerraten zu bestimmen. Vielmehr soll ein Vergleich zwischen herkömmlichen und iterativen Systemen bei hohen Bitfehlerraten erfolgen, welcher Aufschluss über das Potential der iterativen Entzerrung bei optischen Nachrichtensystemen liefert. Zu diesem Zweck wird ein optisches leitungsgebundenes Übertragungssystem in Matlab simuliert. Dabei geht es um eine möglichst realitätsnahe Betrachtung, welche sämtliche oben beschriebenen Einflüsse berücksichtigt. Als Kanalcode kommt der Low Density Parity Check Code (LDPC) zum Einsatz.
Inhaltsverzeichnis
1 Einleitung
2 Grundlagen der optischen Nachrichtentechnik
2.1 Licht als Träger von Information
2.2 Einmodenfaser
2.2.1 Lineare Übertragungsfunktion der SMF
2.2.2 Lineare Störungen
2.2.3 Polarisationsmodendispersion
2.2.4 Nichtlineare Störungen
2.3 Systemkomponenten
2.3.1 Sender
2.3.2 Faserverstärker
2.3.3 Empfänger
2.4 Das System im Überblick
3 Turboentzerrung
3.1 Grundlagen der Kanalcodierung
3.1.1 Blockcode, Coderate, binäre Operationen
3.1.2 Paritätsprüf-Code
3.1.3 Systematischer Coder
3.1.4 Blockcodes in Matrixschreibweise
3.1.5 Log-Likelihood Algebra
3.1.6 Ansatz der Soft-In/Soft-Out Decodierung
3.2 Low Density Parity Check Codes
3.2.1 Codierung
3.2.2 Decodierung
3.2.3 Belief Propagation
3.2.4 Schleifen
3.3 BCJR-Equalizer zur Enzerrung von Intersymbolinterferenzen
3.3.1 ISI-Kanalmodell
3.3.2 Trellis-Diagramm
3.3.3 Funktionsweise
3.4 Iterative Enzerrung
4 Systemrealisierung
4.1 Sender
4.1.1 Quelle
4.1.2 Coder
4.1.3 Interleaver, Deinterleaver
4.1.4 Signalformer
4.2 Kanal
4.2.1 Ausbreitungsgleichung
4.2.2 Split-Step-Fourier-Verfahren
4.2.3 Simulation der Polarisationsmodendispersion
4.2.4 Faserverstärker
4.3 Empfänger
4.3.1 pin-Diode
4.3.2 Sampler
4.3.3 Entzerrer
4.4 Decoder
5 Simulationsauswertung
5.1 Systemspezifikationen
5.2 Bitfehlerratenmessung
5.3 Augendiagramme
5.4 Rauschverteilungen
6 Zusammenfassung und Ausblick
Zielsetzung & Themen
Die Arbeit untersucht das Potenzial der Turboentzerrung in hochbitratigen optischen Nachrichtensystemen mit Datenraten zwischen 10 und 40 GBit/s, um die Beeinträchtigungen durch Intersymbolinterferenz (ISI) und Rauschen zu reduzieren. Das primäre Ziel besteht darin, den Gewinn durch den iterativen Austausch zwischen Entzerrer und Decoder zu quantifizieren und herkömmliche Empfängerstrukturen bei hohen Bitfehlerraten zu vergleichen.
- Grundlagen optischer Übertragungssysteme und Glasfasereigenschaften
- Analyse von Störquellen wie Dispersion, PMD und nichtlinearen Effekten
- Kanalcodierung mittels Low Density Parity Check (LDPC) Codes
- Methodik der Turboentzerrung und des BCJR-Equalizers
- Systemrealisierung und Simulation in Matlab
- Auswertung der Bitfehlerraten und Augendiagramme
Auszug aus dem Buch
3.4 Iterative Enzerrung
Bei einem Turboentzerrer gliedert sich das Empfangssystem in einen Entzerrer und einen Decoder, welche untereinander iterativ Informationen austauschen und so an Entscheidungssicherheit gewinnen.
Dieses iterative Entzerrersystem ist zurückzuführen auf den 1993 erstmals von C. Berrou, A. Glavieux und P. Thitimajshima in [BGT93] vorgestellten Ansatz der Turbo-Codes. Hierbei werden zwei parallel oder seriell verkette Faltungscodes iterativ decodiert. 1995 wurde dieser Ansatz erstmals in [DJB95] auf ein Entzerrersystem übertragen. Die Idee besteht darin, den durch Intersymbolinterferenz gestörten Kanal als inneren Faltungscode der Rate R = 1 zu interpretieren, welchen ein beliebiger äußerer Code umgibt. Einen Vergleich zwischen Turbo-Code und Turboentzerrer zeigen die Abbildung 3.13 und 3.14.
Zusammenfassung der Kapitel
1 Einleitung: Beschreibt die steigende Bedeutung der optischen Datenübertragung, die auftretenden Störungen durch ISI und Rauschen sowie den grundlegenden Ansatz der Turboentzerrung.
2 Grundlagen der optischen Nachrichtentechnik: Erläutert physikalische Übertragungseigenschaften von Einmodenfasern, Störungsursachen wie Dämpfung und Dispersion sowie die Funktionsweise zentraler Systemkomponenten.
3 Turboentzerrung: Führt in die Kanalcodierung (LDPC-Codes) und die iterative Entzerrung mittels BCJR-Equalizer ein, um durch Informationsaustausch die Übertragungssicherheit zu erhöhen.
4 Systemrealisierung: Dokumentiert die Entwicklung der Matlab-basierten Simulation des gesamten optischen Übertragungssystems inklusive der Modellierung von Sender, Kanal und Empfänger.
5 Simulationsauswertung: Präsentiert die gewonnenen Ergebnisse anhand von Bitfehlerratenmessungen und Augendiagrammen für verschiedene Systemkonfigurationen unter Berücksichtigung von PMD.
6 Zusammenfassung und Ausblick: Fasst die Ergebnisse der Arbeit zusammen und bewertet den Erfolg der Turboentzerrung in Abhängigkeit von den Systemparametern.
Schlüsselwörter
Turboentzerrung, Optische Nachrichtentechnik, Intersymbolinterferenz, LDPC-Codes, BCJR-Equalizer, Glasfaser, PMD, Bitfehlerrate, Signalverarbeitung, Matlab-Simulation, Fehlerkorrektur, Übertragungssysteme, Rauschen, Augendiagramm, Kanalsimulation
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in dieser Arbeit grundsätzlich?
Die Arbeit untersucht das Verfahren der Turboentzerrung zur Verbesserung der Signalqualität in hochbitratigen optischen Glasfasersystemen.
Was sind die zentralen Themenfelder?
Die zentralen Themen sind optische Übertragungstechnik, Kanalcodierung mit LDPC-Codes, iterative Entzerrung und die Modellierung von Störungen wie Dispersion und Rauschen.
Was ist das primäre Ziel der Untersuchung?
Ziel ist es, den Gewinn durch den iterativen Austausch zwischen Entzerrer und Decoder gegenüber konventionellen Empfängern bei hohen Bitfehlerraten zu bestimmen.
Welche wissenschaftliche Methode wird verwendet?
Es wird eine umfangreiche, realitätsnahe Simulation des gesamten optischen Kommunikationssystems in Matlab entwickelt und ausgewertet.
Was wird im Hauptteil behandelt?
Der Hauptteil behandelt die physikalischen Grundlagen, die theoretische Herleitung der Kanalcodierung und des BCJR-Algorithmus sowie die detaillierte Umsetzung dieser Komponenten in eine Simulationsumgebung.
Welche Schlüsselwörter charakterisieren die Arbeit?
Die wichtigsten Begriffe sind Turboentzerrung, LDPC, Optik, ISI, BCJR und Bitfehlerrate.
Warum ist Intersymbolinterferenz eine Voraussetzung für den Erfolg?
Ohne signifikante Intersymbolinterferenz existiert kein wirksamer "innerer Faltungscode" im Kanal, was den iterativen Gewinn der Turboentzerrung verhindert.
Was ist die Erkenntnis zur optimalen Coderate?
Es existiert eine systemabhängige optimale Coderate; wird diese zu niedrig gewählt, wird der Codegewinn durch die erhöhte Bruttodatenrate und die damit verbundenen Signalverzerrungen zunichtegemacht.
- Quote paper
- Daniel Rogusch (Author), 2006, Untersuchungen zur iterativen Entzerrung und Decodierung hochbitratiger optischer Übertragungssysteme, Munich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/71776
