Analysis of Wiener phase noise issues in optical transmission systems

In optical communications, local oscillators and propagation introduce multiplicative phase noise that must be taken in consideration, estimated and compensated at the receiver. In the literature such channels are dealt with by considering a symbol-spaced discrete-time model where the transmitted symbol is impaired by both AWGN and a multiplicative phase noise given by a first order Wiener process. The issues given by such channels are objects of several works in the literature. The aim of this thesis is to discuss some of them and try to extend those dissertations. First of all, in the literature this model is assumed by considering ``small'' phase noise but nobody has ever discussed how much ``small'' it must be. A statistical and mathematical analysis is derived by the author, and a threshold of validity of the so called Discrete Model is worked out, proving that the assumption is correct in almost all practical scenario and it is conservative in term of performance simulation. The analysis of phase noise channels is then deepened by studying Bayesian tracking techniques to extract all the information about the transmitted symbols. An iterative demodulation and decoding scheme is proposed and compared to others in the literature. The major gain is given by the greater spectral efficiency obtained by not transmitting Pilot Symbols and still working better than other considered similar schemes. Bayesian tracking allows also to derive the information rate of the considered Discrete Model channel and to verify that the proposed algorithm can achieve it. The focus is then moved to analyze short reach access optical scenarios where, for spectral efficiency and receiver sensitivity, OFDM has been considered instead of single carrier systems. For cost, footprint and power consumptions requirements, Direct Detection has several advantages compared to Coherent schemes since the multiplicative phase noise introduced by the transmitting laser can be neglected. However, if dispersive compensating fibers are not used, Chromatic Dispersion impairs the signal and the phase noise cannot be canceled. The author has proposed the literature analysis of this phenomenon, enlightening its weaknesses and comparing the new results of the thesis with experimental measurements given by other authors.

Nelle comunicazioni ottiche, gli oscillatori locali e la propagazione introducono rumore di fase moltiplicativo che devono essere presi in considerazione, stimati e compensati al ricevitore. In letteratura tali canali sono trattati considerando un modello a tempo di simbolo dove il simbolo trasmesso è disturbato sia da rumore AWGN che da rumore di fase moltiplicativo, modellato come un processo di Wiener del primo ordine. Le problematiche introdotte da questi canali sono oggetto di diverse opere in letteratura. Lo scopo di questa tesi è di discutere alcuni di loro e cercare di estendere tali dissertazioni. Prima di tutto, in letteratura tale modello è assunto considerando un “piccolo” rumore di fase, ma nessuno ha mai discusso quanto “piccolo” questo deve essere. Una analisi statistica e matematica e una soglia di validità del modello discreto è stato elaborato, dimostrando che l'ipotesi è corretta in quasi tutti gli scenari pratici ed è conservativa in termini di simulazione delle prestazioni. L'analisi dei canali affetti da rumore di fase viene poi approfondita studiando tecniche di stima Bayesiana per estrarre tutte le informazioni sui simboli trasmessi. Uno schema di demodulazione e decodifica iterativa è stato proposto e confrontato con altri presenti in letteratura. Il maggiore guadagno dello schema della tesi è dato dalla maggiore efficienza spettrale ottenuta non trasmettendo Simboli pilota e mantenendo comunque prestazioni migliori di altri sistemi analoghi considerati. La stima Bayesiana permette anche di ricavare l’informazione mutua del canale dato dal modello discreto considerato e verificare che l'algoritmo proposto può raggiungerla. L'attenzione viene quindi spostata all’analisi di scenari di accesso ottici su tratte brevi in cui, per massimizzare l’efficienza spettrale del ricevitore, OFDM è stato considerato invece di sistemi di trasporto a singola portante. Per costi, requisiti di ingombro e di potenza, la rivelazione diretta ha diversi vantaggi rispetto ai sistemi coerenti poiché il rumore di fase moltiplicativo introdotto dal laser al trasmettitore può essere trascurato. Tuttavia, se non si utilizzano le fibre per la compensazione della dispersione cromatica, essa ostacola il segnale e il rumore di fase non può essere completamente cancellato. L'autore ha analizzato gli studi già presenti su questo fenomeno, sottolineandone le debolezze e confrontando i nuovi risultati della tesi sia con misure sperimentali, sia con lavori di altri autori.