Algorithmes parallèles et architectures évolutives de faible complexité pour systémes optiques OFDM cohérents temps réel

Coherent Optical-OFDM (CO-OFDM) communication system is built on most advanced techniques for detection, modulation and dispersion compensation viz., coherent detection, orthogonal multi-carrier modulation (OFDM) and electronic dispersion compensation (EDC). The re-emergence of coherent detection in optical communication systems was made possible by the advancement in very high rate digital circuits. Coherent detection (CoD) has higher sensitivity for signal detection compared to direct detection (DD) methods. It enables use of dual-polarization transmission and it preserves phase information of optical signal and passes it to electrical domain. The use of OFDM modulation provides significant flexibility and efficient use of allocated bandwidth. Due to availability of phase information in digital domain, low cost digital signal processing (DSP) processors can be used for dispersion compensation in digital domain, which makes the solution flexible and reconfigurable. But, the introduction of CO-OFDM system in place of older intensity modulation-direct detection (IM-DD) system significantly increases the cost of the system, i.e. higher number of optical components and higher amount of electronic resources are required for reception of the signal. Due to increase of resources both in optical and electronic domain, it is justifiable for only long-range transmission distances. The choice of algorithm, architecture and fixed-point optimization play a significant role in reduction of electronic resources required for realization of CO-OFDM systems.In this thesis, low-complexity algorithms and architectures for CO-OFDM systems are explored. First, low-complexity algorithms for estimation of timing and carrier frequency offset (CFO) in dispersive channel are studied. A novel low-complexity timing synchronization algorithm, which can withstand large amount of dispersive delay, is proposed and compared with previous proposals. Then, the problem of realization of low-complexity parallel architecture is studied. A generalized scalable parallel architecture, which can be used to realize any auto-correlation algorithm, is proposed. It is then extended to handle multiple parallel samples from ADC and provide outputs, which can match the input ADC rate. The scalability of the architecture for higher number of parallel outputs and different kinds of auto-correlation algorithms is explored.An algorithm-architecture approach is then applied to the entire CO-OFDM transceiver chain. At the transmitter side, radix-22 algorithm for IFFT is chosen and parallel Multipath Delay Commutator (MDC) Feed-forward (FF) architecture is designed which consumes lesser resources compared to MDC FF architectures of radix-2/4. At the receiver side, efficient algorithm for Integer CFO estimation is adopted and efficiently realized with- out the use of complex multipliers. Reduction in complexity is achieved due to efficient architectures for timing synchronization, FFT and Integer CFO estimation. Fixed-point analysis for the entire transceiver chain is done to find fixed-point sensitive blocks, which affect bit error rate (BER) significantly. The algorithms proposed are validated using optical experiments by the help of arbitrary waveform generator (AWG) at the transmitter and digital storage oscilloscope (DSO) and Matlab at the receiver. BER plots are used to show the validity of the system built. Hardware implementation of the proposed synchronization algorithm is validated using real-time FPGA platform.Les systèmes de communications optiques à très haut débit sont construits à partir des techniques de pointe pour la détection, la modulation et la compensation de dispersion tels que, la détection cohérente, les modulations multi-porteuses orthogonales (OFDM) et la compensation électronique des dispersions (EDC). La réapparition de la détection cohérente dans les systèmes de communication optique a été rendue notamment possible par les progrès dans les circuits numériques dans les technologies avancées. La détection cohérente possède une meilleure sensibilité pour la détection du signal par rapport aux méthodes de détection directe. Elle permet d’utiliser des transmissions à double polarisation et conserve les informations de phase du signal optique et les transfert dans le domaine électrique. L’utilisation de la modulation OFDM fournit une flexibilité significative et l’utilisation efficace de la bande passante allouée. En raison de la disponibilité des informations de phase dans le domaine numérique, les processeurs DSP de faible coût peuvent être utilisés pour la compensation des dispersions dans le domaine numérique qui rend la solution flexible et reconfigurable. Mais, l’introduction du système CO-OFDM (Coherent-Optical OFDM) à la place de système de IM-DD (Intensity Modulation-Direct Detection) augmente significativement le coût du système avec un plus grand nombre de composants optiques et une quantité plus élevée de ressources électroniques requises pour la réception du signal. À l’heure actuelle, cela rend cette solution uniquement justifiable pour des transmissions à longue portée, même si le nombre de ressources par rapport à un système mono-porteuse à détection cohérente et modulation à quatre états (DP-CO- QPSK). Le choix de l’algorithme et l’optimisation de la précision des calculs en virgule fixe de l’architecture peuvent réduire de façon significative les ressources nécessaires pour la réalisation de systèmes CO-OFDM.Dans cette thèse, des algorithmes à faible complexité et des architectures parallèles et efficaces sont explorés pour les systèmes CO-OFDM. Tout d’abord, des algorithmes de faible complexité pour la synchronisation et l’estimation du décalage en fréquence en présence d’un canal dispersif sont étudiés. Un nouvel algorithme de synchronisation temporelle à faible complexité qui peut résister à grande quantité de retard dispersif est proposé et comparé par rapport aux propositions antérieures. Ensuite, le problème de la réalisation d’une architecture parallèle à faible coût est étudié et une architecture parallèle générique et évolutive qui peut être utilisée pour réaliser tout type d’algorithme d’auto-corrélation est proposé. Cette architecture est ensuite étendue pour gérer plusieurs échantillons issus du convertisseur analogique/numérique (ADC) en parallèle et fournir une sortie qui suive la fréquence des ADC. L’évolutivité de l’architecture pour un nombre plus élevé de sorties en parallèle et les différents types d’algorithmes d’auto-corrélation sont explorés.Une approche d’adéquation algorithme-architecture est ensuite appliquée à l’ensemble de la chaîne de l’émetteur-récepteur CO-OFDM. Du côté de l’émetteur, un algorithme IFFT à radix-22 est choisi pour et une architecture parallèle Multipath Delay Commutator (MDC) Feed-forward (FF) est choisie car elle consomme moins de ressources par rapport aux architectures MDC-FF en radix-2/4. Au niveau du récepteur, un algorithme efficace pour l’estimation du Integer CFO est adopté et implémenté de façon optimisée sans l’utilisation de multiplicateurs complexes. Une réduction de la complexité matérielle est obtenue grâce à la conception d’architectures efficaces pour la synchronisation temporelle, la FFT et l’estimation du CFO. Une exploration du compromis entre la précision des calculs en virgule fixe et la complexité du matériel est réalisée pour la chaîne complète de l’émetteur- récepteur, de façon à trouver des points de fonctionnement qui n’affectent pas le taux d’erreur binaire (TEB) de manière significative. Les algorithmes proposés sont validés à l’aide d’une part d’expériences off-line en utilisant un générateur AWG (arbitrary wave- form generator) à l’émetteur et un oscilloscope numérique à mémoire (DSO) en sortie de la détection cohérente au récepteur, et d’autre part un émetteur-récepteur temps-réel basé sur des plateformes FPGA et des convertisseurs numériques. Le TEB est utilisé pour montrer la validité du système intégré et en donner les performances