차세대통신네트워크산업원천기술개발사업
400G 광전송기술 구현을 위한 광변조 및 신호처리 원천기술 연구
A Study on the Key Technology of Optical Modulation and Signal Processing for
Implementation of 400 Gb/s Optical Transmission
명지대학교 산학협력단
정보통신기술진흥센터
[보고 서식 제2호]
연차보고서
사업명 차세대통신네트워크산업원천기술개발사업 과제번호 B0101-15-1347
과제명 (국문) 400G 광전송기술 구현을 위한 광변조 및 신호처리 원천기술 연구
(영문) A Study on the Key Technology of Optical Modulation and Signal Processing for Implementation of 400 Gb/s Optical Transmission
주관기관 명지대학교 산학협력단 총괄책임자 서동선
참여기관
(책임자) 국민대학교 산학협력단 (윤상민), ㈜ 라이콤 (정래성) 총수행기간 2014. 04. 01. ~ 2019. 02. 28. ( 5 년)
협약기간 2014. 04. 01. ~ 2016. 02. 29. ( 2 년) 해당년도
수행기간 2015. 03. 01. ~ 2016. 02. 29. ( 12 개월) 협약기간
총사업비(천원)
정 부
출연금 600,000 민 간 부담금
현금 10,000
계 800,000 현물 190,000
해당연도 사업비(천원)
정 부
출연금 300,000 민 간 부담금
현금 0
계 400,000 현물 100,000
키워드
(6 ~ 10개) 광변조 포맷, 코히어런트 검출, 에러정정코드, 스펙트럼 효율, 광전송, 다준위 QAM
정보통신․방송 연구개발 관리규정 제33조에 의거하여 연차보고서를 제출합니다.
2016 년 01 월 26 일 총괄책임자: 서동선 (인) 기관장: 명지대학교 산학협력단장 김선호 (인)
미래창조과학부 장관 귀하
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Ⅰ. 해당 연도 추진 현황
Ⅰ-1 기술개발 추진 일정
(계획 : 실적 : )
일련
번호 개발 내용 추진 일정(개월) 달성도
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 (%)
1 MC CO-OFDM 시스템 분
석 및 개선 방안 100%
2 IM/DD OFDM 시스템 분석
및 개선 방안 100%
3 3차원 고밀도 멀티레벨 변조기
술 개발 100%
4 압축센싱 알고리즘 모델링 100%
5 Frequency-Assisted 64QAM
기술 개발 100%
6 누락 데이터 복원을 위한 DSP
기술 개발 100%
7 압축센싱을 이용한 누락 데이터
복원 기술 개발 100%
8 온도 안정화 모듈 회로설계
및 시험 구현 100%
9 협대역 광 멀티 밴드 캐리어
(MC) 구현 100%
※ 개발내용의 경우 사업계획서 내용에 근거하여 작성할 것
Ⅰ-2 해당 연도 추진 실적
(1) 다중 캐리어 코히어런트(Coherent, CO)-OFDM 시스템 분석 및 개선 방안 확립
▷ 4 QAM 신호의 코히어런트 검출 실험
l 코히어런트 검출에 대한 개념정립 및 OFDM의 Multi-QAM에 대한 비교 우위 분석을 위해 4/16 QAM 신호의 코히어런트 전송 실험/모사실험을 수행함. 실험적인 제약으로 실험은 10 Gbaud/s를 목표로함
l 10 Gbps PPG(pulse pattern generator)를 이용하여 4-QAM 신호를 만들고 입력전기신호와 광수신신호를 비교분석함 (조건 LO = 7dBm, Signal = -7
dBm)
l 아래 그림 I-1-1 및 I-1-2에 보인바와 같이 전기신호는에도 약간의 왜곡이 있으나, 수신 신호는 많이 왜곡됨
l 왜곡의 이유는 신호와 국부발진기 사이의 상대적인 위상이 온도변화에 의 해 변하고 있음
l 저잡음 광증폭기를 사용하지 않고 0.1nm 잡음제거 광필터도 사용하지 않 아 신호대 잡음비가 나쁨
l 코히어런트 검출상의 문제도 있을 수 있어 보완이 요구됨
그림 I-1-1. 10 Gbaud/s 변조기 구동신호; I-Q 도형(좌) 및 시간 궤적(우: 초록과 적색은 각 각 I 및 Q 신호임)
그림 I-1-2. 10 Gbaud/s 수신 신호; I-Q 도형(좌) 및 시간 궤적(우: 초록과 적색은 각 각 I 및 Q 신호임)
l 광신대 잡음비에 의한 신호왜곡을 확인하기 위해 신호의 속도를 10 G 에
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서 500 M로 낮춤
l 그림 I-1-3에 보인바와 같이 신호의 왜곡은 크게 감소함
l 수신 신호의 constellation 및 신호처리 후의 결과를 그림 I-1-4에 보임. 신 호처리 알고리듬이 동작함을 알수 있으나, 예기치 않은 에러(적색 원)이 발생함.
그림 I-1-3. 500 Mbaud/s 입력 전기신호(좌) 및 광 수신신호(우)
그림 I-1-4. 그림 I-1-3 수신신호의 4 QAM Constellation (좌) 및 신호처리 후의 Constellation(우)
▷ 16 QAM 코히어런트 전송 모사실험
l Optsim 쏘프트웨어 플랫폼 상에서 모사실험 수행함. 모사실험속도는 40 GHz 사용 대역폭을 고려한 32 Gbaud/s로 설정함. 모사실험 수행모델은 그림 I-1-5에 보임
그림 I-1-5. Optsim 플랫폼 상의 모사실험 보델
l Back-to-Back 전송에서 OSNR에 따른 Constellation을 두 개의 편광신호에 대해 조 사함 (둘다 유사한 형대를 보임)
l 그림 I-1-6은 OSNR에 따른 x-편광의 16-QAM constellation을 보임 (광원의 선폭은 100 kHz 로 가정함)
l 20 dB 이상의 OSNR이 필요함을 알수 있음
그림 I-1-6. OSNR = 29, 19, 및 16 dB에서의 Constellation
l 위의 결과를 토대로 EVM에 따른 BER 계산함. 이론적인 계산은 식(1)을 사용함
식(1)
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l 그림 I-1-7에 보인 바와 같이, 이론과 잘 일치하여 본 모사실험의 실효성을 입증함
그림 I-1-7. EVM에 따른 BER (이론은 식(1)을 사용했으며, 모사실험은 본 모델을 사용함)
l 그림 I-1-5의 모델을 사용하여, 선폭 100 kHz 광원 및 같은 국부발진기를 사용한 경 우, 이상적인 경우 (광증폭기의 잡음이 없음)에 대한 전송 모사시험 결과임
l 전송거리는 80 km, 320 km, 및 640 km를 설정함. 그림 I-1-8에 보인바와 같이 500 km 전송은 가능하나. 그 이상은 더 좋은 보상 알고리듬 개발이 필요함을 보임
그림 I-1-8. 16-QAM 신호전송 모사실험; 80 km (좌), 320 km (중간), 및 640 km (우)
▷ 16 QAM 코히어런트 OFDM 전송 모사실험
l 10 Gbps 신호를 8개의 캐리어 신호 (2.5 Gbaud/s)로 800 km 전송 모사 실험을 수 행함
l 그림 I-1-9는 전송모사실험 장치 모델을 보이고, 그림 I-1-10은 16-QAM OFDM 신호 의 전송결과를 보임
l 이상적인 광원(선폭 0)인 경우 문제가 없으나, 선폭이 100 kHz 인 경우, 타이밍 보 정만으로는 전송이 거의 불가능함
그림 I-1-9. 모사실험 장치도
그림 I-1-10. 16-QAM OFDM 신호이 전송 예; 이상적인 광원의 경우(좌), 레이저 선폭 100 kHz 의 경우, 수신 신호 (중간) 및 타이밍 보정신호 (우측)
▷ 16-QAM 코히어런트 OFDM 시스템 전송 성능 개선
l 광원에서 발생하는 위상 잡음의 영향을 시간 영역에서 추정하고 보상하여 CO-OFDM 시스템의 전송 성능을 기존 기법에 비해 3dB 신호 대 잡음비 이상 개선 함.
l 본 연구에서는 위상 잡음을 시간 영역에서 추정하여 보상하는 기법을 제안함. l 먼저, 160 Gbps 신호를 256개의 캐리어 신호 (40 Gbaud/s)로 AWGN 채널 전송 모
사 실험을 수행함
l 제안된 기법은 시간 동기화 및 CP 제거가 이루어진 이후에 적용되는 기법으로, 파 일롯 심볼을 포함한 OFDM 데이터 심볼을 이용함.
l 시간 동기화가 완벽하게 이루어진 것으로 가정함.
l 위상 잡음이 있을 때 k번째 부반송파로 수신된 신호는 아래 식과 같이 나타남.
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≠
l 이 때, 와 는 각각 k번째 부반송파에서의 채널응답과 잡음을 나타냄. 는 training 심볼을 통해 미리 추정함.
l 는 위상 잡음 샘플 에 의해 발생하는 왜곡성분으로 다음 수식과 같음.
expexp
l 는 모든 부반송파에 동일하게 곱해져 위상을 회전시키는 공통 위상 잡음 (Common Phase Error, CPE)이며, 그 외의 들은 인접 부반송파에 간섭을 일으키 는 부반송파 간 간섭(Inter-Carrier Interference, ICI)을 의미.
l 주파수 영역 수신 신호는 다음과 같이 벡터 형태로 바꾸어 표현할 수 있음. Y A XH W
l X는 X ⋯ 의 대각행렬이고, H ⋯ , W ⋯ 이며, A는 ⋯ 의 순환행렬(Circulant matrix)로 다음과 같음.
A
⋯
⋯
⋮ ⋮ ⋱ ⋮
⋯
l 본 연구에서는 위상 간섭의 통계적 특성을 고려해 A 를 미리 구성하여 코드북으 로 활용하는 기법(Best Match Trajectory, BMT)을 채택함.
l 코드북에 미리 저장된 각 A 에 대해 채널 추정과 파일롯 심볼 복호를 수행하여, 복호 오차가 가장 작은 A 에 대하여 나머지 데이터 심볼을 복호함.
l 특히 A 를 구성함에 있어 종전의 기법에 아이디어를 더해 차별성을 둠.
l 코드북 구성
OFDM 심볼을 시간 영역에서 J개로 나누어 길이 L의 심볼조각들을 얻고, j번째 심볼조각이 가질 수 있는 위상 잡음 평균 를 통계 특성에 따라 이산적으로 정의 함.
위상 잡음 가 Wiener 프로세스로 모델링될 수 있기 때문에 도 Wiener 프로 세스를 따른다고 가정.
이 때, 은 평균 0의 가우시안 분포를 가지는 확률변수.
연속적인 값을 가지는 의 경우의 수를 확률 분포에 따라 개로 양자화하여
로 근사. 역시 유한한 경우의 수를 가지게 됨.
대신에
를 j번째 심볼조각의 위상 잡음 대푯값으로 정
의하고, 이를 바탕으로 A 를 구성하는 데 활용할 위상 잡음 정의. 코드북에 저장되는 A 의 후보들 A 는 다음의 정의 따라 구성됨.
expexp
1) 기존의 방법
그림 I-1-11. 기존에 제안된 코드북
그림 I-1-11은 무선통신 시스템에 대해 제안된 BMT 방식이 시험해보는 위상 잡 음의 경우들을 그린 것.
각 심볼조각 안의 위상 잡음 값들을 대푯값으로 근사.
⋯ ⋯
2) 제안하는 방법
그림 I-1-12. 제안하는 코드북
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그림 I-1-12은 본 연구에서 제안하는 수정된 BMT 기법에서 시험해보는 위상 잡음의 경우들을 그린 것.
각 심볼조각 안의 위상 잡음 값들을 대푯값 들의 선형보간으로 근사.
l 코드북을 이용한 파일롯 심볼 복호
위에서 구성한 코드북에 저장된 A 와 수신 신호와의 관계는 다음과 같이 나타 남.
Y ≈ A XH W
이 때, H는 training 심볼로 추정한 주파수 영역 채널 응답 값.
수신기는 다음과 같이 코드북에 저장된 모든 A 에 대해 파일롯 복호를 수행함.
Y A Y
X diagH Y
이 때, A 는 m번째 코드북 값이고, 는 CPE를 보상하기 위한 항으로 다음과 같 이 정의됨.
⋅는 복소 공액.
복호된 심볼 X들을 파일롯 심볼과 비교하여 복호 오차가 가장 작은 A 를 사 용하여 나머지 데이터 심볼 복호.
l 블록 페이딩을 가정하여 16-QAM과 64-QAM에 대해 매틀랩(MATLAB) 시뮬레이션 을 수행하여 성능 검증.
l 성능 비교를 위해 심볼별 CPE를 선형보간하여 위상 잡음을 보상한 기법을 비교 대 상으로 택함.
l Linewidth는 2 MHz로 두고 SNR을 조절해가며 시뮬레이션.
l Back-to-Back 채널을 가정하며 채널을 미리 알고 있을 때(known)와 training 심볼을 이용하여 추정하는 경우(unknown)에 대하여 시뮬레이션.
그림 I-1-13. Back-to-Back 채널에서의 성능 분석
l 무선통신 시스템에서 제안된 BMT 기법의 경우, CPE 선형보간법에 비해 BER 성능 이 현저히 향상.
l 본 연구에서 수정한 BMT 기법의 경우, 기존의 BMT에 비해 약간 더 향상된 BER 성능 나타냄. 특히, 다른 요인에 비해 위상 잡음의 영향이 두드러지는 구간인 SNR 이 높은 구간에 대해서 본 연구에서 제안하는 BMT 기법이 눈에 띄는 성능 향상을 나타냄.
l CPE 선형보간법은 채널을 알고 있을 때에는 위상 잡음 보상에 대한 효과가 가장 떨어짐. 채널을 training 심볼을 통해 추정하는 경우에는 CPE만 보상한 기법보다는 좋은 BER 성능을 보이긴 하지만 BMT 기법들에 비해 현저히 낮은 성능을 보임..
l 채널 정보 유무에 상관없이 기존 BMT 기법보다 제안하는 BMT 기법이 항상 좋은 BER 성능을 보임.
l 160 Gbps 신호를 256개의 캐리어 신호 (40 Gbaud/s)로 40 km 전송 모사 실험을 수행함
l 그림 I-1-14는 전송모사실험 장치 모델을 보이고, 그림 I-1-15은 16-QAM OFDM 신 호의 전송결과를 보임
l 선폭이 1.0 MHz 인 경우, 제안된 기법으로 성능이 개선됨을 확인할 수 있음.
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그림 I-1-14. 모사실험 장치도
그림 I-1-15. 16-QAM OFDM 신호이 전송 예; 이상적인 광원의 경우(좌), 레이저 선폭 1.0 MHz 의 경우, 수신 신호 (중간) 및 제안하는 위상잡음 보정신호 (우측)
(2) IM/DD OFDM 시스템 분석 및 개선 방안
▷ IM/DD(크기변조 및 직접수신)기반 20 Gbps OFDM 광전송 실험
l 그림 I-2-1은 IM/DD(intensity modulation/direct-detection) 기반 OFDM 광전송 시 스템 실험적 분석을 위해 구현한 광 OFDM 전송 링크를 보여주고 있음
l 그림 I-2-2에 제시한 광 OFDM 링크 전송실험에 사용한 광소자 구동을 위한 파라미 터는 표 I-2-1에 제시하였음
그림 I-2-2의 사진은 구현한 IM/DD기반 광 OFDM 링크임
l OFDM 신호는 기저대역(baseband) OFDM 신호인 DMT(discrete multi-tone) 신호를 사용하였음
l 0km, 20km, 50km optical fiber에 따라 32-QAM으로 인코딩된 OFDM 신호의 전송 성능(BER: bit error rate)을 측정하였음
l Rx에 수신되는 광전력 변화에 따라 32-QAM 신호 심볼의 BER을 측정하였음
DFB-laser Single MZM EDFA Optical BPF
10GHz PIN-PD
4.5GHz LNA
50km Optical Fiber AWG
(70002A)
Oscilloscope (MSO71604C)
PC OFF-Line
processing
Rx
Tx
그림 I-2-1. IM/DD기반 광 OFDM 전송링크 표 I-2-1. IM/DD기반 광 OFDM 링크에 사용한 전기 및 광소자 파라미터
l 그림 I-2-2는 그림 I-2-1에서 보여지는 것처럼, OFDM 광링크에서 EDFA에 입력되는 광전력의 변화에 따른 32-QAM 심볼의 BER 변화를 측정한 결과임
실험 파라미터 설정값 단위
10Gbps Single MZM Vπ/2 6.32 voltage
DMT(baseband OFDM) signal 16 Gsample/s
OFDM subcarrier 256 개
Modulation format 32QAM
Wavelength of DFB-laser 1550.01 nm
EDFA optical gain 25 dB
Received optical power@10GHz PD -8 dBm
Channel bandwidth 4 GHz
LNA gain 20 [email protected]
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l 참고사항으로서, 에러정정 기법(FEC: forward error correction)으로 복구가능한 최 소 BER: 1E-3
l 광전송거리 50km의 경우, 수신되는 광전력 –14.5dBm 이상에서 32-QAM 심볼 복 원이 가능함
l 채널 대역폭 4GHz에서 32-QAM 심볼전송이 구현되므로 20Gbps 전송 가능 입증 l 제한된 채널 대역폭내에서, Adaptive modulation기법을 적용을 통해, 20Gbps 이상
전송용량 증가 예상
l 그림 I-2-3은 EDFA에 입력되는 수신 광전력이 –13.5dBm일 때, 각각의 광전송거리 (0km, 20km, 50km)에 따른 32-QAM 심볼 constellation을 측정한 결과를 보여주고 있음
광전송거리가 50km로 증가할수록 점점 constellation 포인트들이 흩뿌려지는 정 도가 증가함을 관찰함
-20 -19 -18 -17 -16 -15 -14 -13 1E-4
1E-3 1E-2
BER of 32-QAM symbol
Received optical power (dBm) 50km
20km 0km
3E-2
100km
그림 I-2-2. EDFA에 입력되는 수신 광전력 변화에 따른 32-QAM 심볼 에러 변화
(a) (b) (c)
그림 I-2-3. EDFA에 입력되는 광전력이 –13.5dBm일 때, 광전송거리에 따른 32-QAM 심볼
constellation, (a) 0km, (b) 20km, (c) 50km (3) 3차원 고밀도 멀티레벨 변조기술 개발
▷ Amplitude, Frequency, and Phase Modulation(AFPM) 변조 기술 개발
l 기존의 고전적인 디지털 변조기법은 2차원(평면)기반의 크기와 위상에 데이터 정보 를 싣는, 멀티레벨 직교 진폭변조(QAM: quadrature amplitude modulation) 형태임 l 제한된 채널 대역폭에서, 스펙트럼 효율성을 증진시키기 위한 멀티레벨 지수
(modulation order)의 증가는 전송과정에서 발생하는 에러 복구에 필요한, 최소 신 호대 잡음비 증가를 초래함
l 이러한 문제를 극복하기 위하여 크기와 위상 뿐만 아니라, 주파수를 동시에 변조하 는 3차원(공간) 기반의 변조기술을 제안하였음
l FSK(Frequency shift keying)과정을 통해, 주파수 변조된 RF신호를 직교 진폭 변조 에 재사용하여 주파수 변조된 직교 진폭 변조 심볼을 생성하였음
l FSK의 변조지수를 M1, QAM의 변조지수를 M2라고 하면 AFPM 변조지수, M3는 식 (2) 처럼 표현된다.
M3 = M1×M2 식(2)
l 제안한 3차원 변조기법의 예로써, 그림 I-3-1은 심볼당 3비트를 전송할 수 있는 데 이터 할당 과정을 보여주고 있음. 이것은 QPSK(quadrature phase shift keying)를 위해 할당되는 대역폭을 가지고 1비트 더 전송가능함을 보여주고 있음
FSK(Frequency shift keying)와 QPSK의 이중변조 과정을 통해 8-AFPM 심볼이 생성됨
첫 번째 비트(A)는 FSK 변조를 위해 할당되며, 나머지 2개의 비트(B, C)는 QPSK 변조를 위해 in-phase 및 quadrature 데이터 변조를 위해 할당됨
그림 I-3-1. 심볼당 3비트 전송 가능한 데이터 할당 과정. FSK와 QPSK 이중변조
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과정을 통해 구현
l 그림 I-3-2는 심볼당 6비트 전송 가능한 데이터 변조 과정을 보여주고 있음.
16-QAM을 위해 할당되는 채널 대역폭을 가지고 2비트 더 전송가능함을 보여줌
4-FSK(Frequency shift keying)와 16-QAM의 이중변조 과정을 통해 64-AFPM 심 볼이 생성됨
처음 2개의 비트(A, B)는 4-FSK 변조를 위해 할당되며(00, 01, 10, 11), 나머지 4 개의 비트(C, D, E, F)는 16-QAM 변조를 위해 in-phase 및 quadrature 데이터 변조를 위해 할당됨
그림 I-3-2. 심볼당 6비트 전송 가능한 데이터 할당 과정. 4-FSK와 16-QAM 이중변조 과정을 통해 구현.
(4) 압축센싱 복호화 알고리즘의 스펙 결정 및 모델링
▷ 압축센싱의 복호화 알고리즘인 직교정합추적 (OMP: orthogonal matching pursuit) 방법 의 모델링
l m의 sparsity level을 가지고 있는 N 샘플의 송신 데이터 x를 ∈× 행렬을 통해 압축 샘플링을 수행한 후 그 결과인 K 샘플의 y을 전송함. 수신단에서 y와 를 이용하여 x를 복원함.
l 대표적인 sparse 신호 복원 방법인 OMP 방법을 이용하여 복원 l 6단계의 계산과정을 sparsity level m만큼 반복 수행하여 복원 수행
1단계: 내적연산을 통하여 w값을 구함 2단계: w의 최대 절대값을 구함 3단계: 행렬 C를 구함
4단계: 행렬 C의 역행렬을 구함 5단계: x를 구함
6단계: 측정값과의 차를 구함
▷ MATLAB을 사용하여 부동소수점 연산수준에서 직교정합추적 방법을 모델링
그림 I-4-1. OMP 알고리즘의 MATLAB 모델링: 핵심 알고리즘 부분
그림 I-4-2. OMP 알고리즘의 시뮬레이션 결과, N=1024, K=256, m=36
▷ 쟈일링스사의 시스템 발생기 (System Generator)를 이용하여 OMP알고리즘을 시스템 수 준에서 모델링
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l IPCU, MIU, XCU, RCU 네 개의 프로세싱 유닛과, 메모리를 이용하여 6단계의 연 산을 수행할 수 있는 하드웨어 구조 설계
그림 I-4-3. 6단계 OMP 알고리즘의 하드웨어 구조 설계
l MATLAB의 Simulink 툴을 이용하여 시스템 수준 모델링 l 디자인 파라미터: N=64, K=16, m=4
l 하드웨어의 리소스 사용량을 줄이기 위해 폴딩 기법 사용 l Pipelining을 사용하여 클럭 주기를 최소화
l 16 비트의 워드길이와, 8비트의 부동 소수점 길이를 사용
그림 I-4-4. 그림 I-2-18의 하드웨어 구조의 Simulink 모델
l IPCU: 1,2,3 단계의 내적연산 및 비교연산을 수행, 최대 16x16의 내적연산 및 비교
연산을 수행함
l MIU: 4단계의 역행렬 연산을 위한 MIU 모듈 설계, Cholesky factorization 방법 이 용
l 그 외 벡터/행렬 연산을 위한 RCU, XCU 등 서브블럭 설계
그림 I-4-5. 서브블럭 (IPCU, MIU, XCU, Adder Tree) 모델링
▷ 쟈일링스 System Generator를 이용한 하드웨어 생성
l Simulink와 연동 가능한 Xilinx System Generator를 사용하여 VHDL 코드 생성.
l Xilinx Zedboard (Device Name: XC7Z020) 타겟으로 Vivado 툴을 사용하여 리소스 사용량 측정
l 메인 클럭 주파수: 100MHz
표 I-4-1. Xilinx Zedboard (XC7Z020) 에서의 리소스 사용량
표 I-4-2. 클럭 Latency 추정
Resource Type 리소스 사용량 총 리소스량 사용비율(%)
Slice LUTs*
LUT as Logic LUT as Memory
1995 1801 194
53200 53200 17400
3.75 3.38 1.11 Slice Registers
Register as Flip Flop
3811 3811
106400 106400
3.58 3.58
Block RAM Tile 1.5 140 1.07
반복1회 반복2회 반복3회 반복4회
1단계 1035 1035 1035 1035
2단계 18 34 50 66
3단계 2 3 4 5
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l N=64, K=16, m=4 의 경우 XC7Z020 디바이스의 약 3%정도 Slice를 사용함.
l 리소스 사용량이 N값에 따라 선형적으로 증가할 것으로 예상됨.
l 연산속도를 증가시키기 위해서는 재귀연산을 배제하고 unfoloding 기법을 활용. 이 경우 리소스 사용량은 m값에 따라 선형적으로 증가함
l OMP에서 가장 높은 하드웨어 복잡도를 갖는 역행렬 연산이 없거나, 내적연산의 크 기를 낮출 수 있는 복호화 방법관련 연구 필요.
(5) Frequency-Assisted 64QAM 기술 개발
▷ 4-FSK와 16-QAM간 이중 변조를 통한 64-AFPM 기법 제안
l 그림 I-5-1은 4-FSK 및 16-QAM 이중변조 과정을 통해 구현된 64-AFPM 심볼 생성 과정을 보여주고 있음
l 바이너리 디지털 입력신호(binary input data)는 Bit splitter에 의해 6비트(F1, F2, I1, I2, Q1, Q2)로 분할됨
l 분할된 6비트중 처음 2개의 비트(F1, F2)는 4개의 RF 부반송파 신호(f1, f2, f3, f4)들 을 이용하여, 4-FSK 변조 과정에 따라 각각의 심볼(00, 01, 10, 11)들에 할당된, 주파 수 변조된 신호들을 생성함
l 주파수 변조된 RF 신호는 나머지 4개의 비트(I1, I2, Q1, Q2)를 16-QAM 변조된 심 볼로 변환하기 위해 재사용됨
l 2개의 비트(I1, I2)는 16-QAM 신호의 in-phase 성분에 할당되며, 나머지 2개의 비 트(Q1, Q2)는 quadrature 성분을 위해 할당됨
l 64-AFPM 심볼은 4-FSK 및 16-QAM 간 이중변조를 통해 생성된 64-AFPM in-phase 및 quadrature 성분의 합으로 구현됨
4단계 37 48 59 74
5단계 5 6 8 10
6단계 23 39 55 71
Clock cycle 1120 1165 1211 1261
Total Clock 4757 => 47.57us, 21021 sample/sec
Oscillator freq. f1
Oscillator freq. f2
Oscillator freq. f3
Oscillator freq. f4
Electronic switch
2 to 4 level converter
2 to 4 level converter
F1 F2 I1 I2 Q1 Q2
Balance modulator
Balance modulator 90°
Bandpass filter
FSK-16QAM output
Binary input data
Bit splitter
그림 I-5-1. 4-FSK 및 16-QAM 이중변조과정을 통한 64-AFPM 신호 생성 과정
▷ 가시광 무선 전송링크 구축을 통한 64-AFPM 기법 실험적 검증
l 그림 I-5-2는 제안한 64-AFPM 기법의 실험적 검증을 위해 구축한, 가시광 LED기반 광무선 전송링크를 보여주고 있음
l 64-AFPM 심볼 생성은 MATLAB을 이용하여 구현하였으며, 그림 I-5-2의 오른쪽 주 파수 응답은 광무선 실험링크의 채널응답 특성(3dB 채널대역폭: 10MHz)을 보여주 고 있음.
l 다른 실험 파라미터들은 표 I-5-1에 제시하였음
그림 I-5-2. 64-AFPM 변조기법을 검증하기 위한, 가시광 LED기반 광무선 전송링크
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표 I-5-1. 광무선 링크 실험에 사용된 실험 파라미터
l 그림 I-5-3은 100개의 64-AFPM 심볼을 전송한 경우, 입력신호와 출력신호 패턴을 보여주고 있음
l 입력 및 출력신호 패턴에서, 위에서부터 3개의 패턴은 각각 4-FSK 및 16-QAM으로 이중변조된 데이터 심볼 패턴을 보여주고 있으며, 아래의 2개의 패턴은 64-AFPM 심볼 패턴을 보여주고 있음
l 64-AFPM으로 변조된 1개의 심볼은 100개 샘플링 값들로 이루어져 있기 때문에 총 10,000개의 값들로 구성됨
l 그림 I-5-3에서 제시한바와 같이 100개의 64-AFPM 신호 심볼이 성공적으로 전송 및 복원되었음을 알 수 있음
l 전송률은 100samples(1Mbit/s)×6(변조지수)=6Mbit/s 임
(a) (b)
그림 I-5-3. (a) 입력 64-AFPM 신호 패턴, (b)출력 64-AFPM 신호 패턴
l 제안된 기법은 FSK기법을 사용하기 때문에, FSK에 사용되는 RF 부반송파들간 주파 수간격이 좁아질수록 발생하는 심볼간 간섭(ISI: inter-symbol interference) 효과 발 생여부를 확인하는 것이 중요함
l 채널 대역폭 효율성을 증가시키기 위해서는 RF 부반송파들간 주파수 간격의 최소 화를 구현하는 것이 중요함
실험 파라미터 설정값 단위
Sampling rate 100 Msample/s
Frequency tones of 4-FSK 10, 10.1, 10.2, 10.3 MHz
Received LED light intensity 200 lx
Optical wireless transmission length 1 meter
l 그림 I-5-4는 4-FSK에 사용한 RF 부반송파 주파수 간격변화에 따른 64-AFPM 신호 심볼 복원시 발생하는 에러 변화를 보여주고 있음
l 4-FSK 부반송파 신호들간 주파수 간격을 부반송파 신호크기의 10%로 감소시킨 경 우에도 10-6의 복원에러를 보이면서 심볼간 간섭 영향을 받지 않았음을 보여주고 있 음
그림 I-5-4. 4-FSK에 사용한 RF 부반송파 신호들간 주파수 간격 변화에 따른 64-AFPM 신호 심볼 에러 변화
(6) 누락 데이터 복원을 위한 DSP 기술 개발
▷ 누락 데이터 복원을 위한 선형적, 비선형 접근 방법.
l 실시간 데이터 처리 및 분석을 위하여 대부분의 선형적 복원 방법이 이루어져 왔음. l Linear interpolation을 위한 다양한 방법이 제안되어 왔으나 정확한 데이터의 복원
및 EVM의 손실로 이어질 수가 있기 때문에 통계적 기법을 활용한 데이터 복원 방 법에 대한 연구가 필요함
l 통계적 기법을 활용한 누락데이터 복원 방법으로 linear, non-linear 특성을 고려한 누락 데이터 복원 방법을 제안하였음
l 일반적으로 통계적 기법을 활용한 누락 데이터 복원 방법은 반복처리과정에서 잡음 성분이 증폭되는 문제점을 가지고 있으며 이런 문제점을 개선함과 동시에 누락 데 이터를 복원하기 위한 방법으로 양선형 보간법 기반 누락 데이터 복원.
l 주변 데이터의 특성을 고려한 손실 및 누락 데이터의 복원 방법으로 다항 보간법 및 스프라인 보간법을 기반으로 한 연구가 진행되어 왔음
l 하지만 기존의 방법은 주변 데이터의 특성에 매우 민감하게 작용하기 때문에 복잡
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한 OFDM 신호와 같은 경우에 원하는 데이터를 복원하는데 한계가 있음
l 데이터 보간을 위한 방법으로 nearest 보간법, linear 보간법, spline 보간법, cubic 보간법의 비교 분석을 통한 EVM 변화량을 측정하였음
l 아날로그 신호로부터 누락데이터의 5%에 따른 복원 결과는 다음과 같음
l 일반적인 보간법을 이용한 누락 데이터의 복원 방식에 한계를 보이기 때문에 통계 적 분석을 통한 데이터 분석 방법이 요구됨
-1.5 -1 -0.5 0 0.5 1 1.5
x 107 -60
-50 -40 -30 -20 -10 0 10
frequency, Hz
Power spectral density
Spectrum of received OFDM signal
그림 I-6-1. 5% 누락 데이터 발생시 데이터 복원 spectrum 분석
(7) 압축센싱을 이용한 누락 데이터 복원 기술 개발
▷ 대용량 데이터의 효율적인 전송을 향상시키기 위하여 데이터의 압축 및 복원시에 발생할 수 있는 데이터의 누락 및 복원 기술 개발이 요구되고 있음
l 기존에는 주로 하드웨어적 특성을 기반으로 한 데이터의 압축 및 복원 기법들에 관 한 연구가 주를 이루었지만, 이와 같은 방법은 기존의 고가의 시스템을 매번 다시 구성해야하기 때문에 통신 사업자들에게 많은 부담으로 작용하고 있음
l 기존의 하드웨어적 특성에 기반을 둔 압축 복원 방법에서 벗어나 소프트웨어적 기 법을 통한 데이터의 압축 및 복원을 위한 연구를 통하여 데이터의 효율적 압축 및 복원을 위한 연구가 요구되고 있음
l 대용량의 데이터를 대량 압축 및 복원하는 과정에서 데이터의 누락 및 잘못된 데이 터의 복원은 EVM의 손실로 직접적으로 이어질 수 있다는 단점이 있음
l 그림 I-7-1은 이같은 소프트웨어적인 데이터의 압축 및 복원을 위한 시스템 구성도 를 나타내고 있음
그림 I-7-1. 대용량 데이터의 효율적인 압축 및 복원을 위한 시스템 구성도
l 데이터를 압축하기 위하여 기존의 대부분의 통신 시스템은 Shannon과 Nyquist에 의한 샘플링 이론에 입각하여 설계된 디지털 시스템을 바탕으로 구성되었음
l 대용량 데이터의 압축 및 복원을 위하여 Nyquist 이하로 데이터를 압축 복원하는 과정에서 데이터의 누락 및 복원 과정에서 발생할 수 있는 잡음을 제거하기 위한 기술이 요구되고 있음
l 광 네트워크에서 데이터 전송 효율을 높이기 위하여 송신측에서 주어진 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하여 전체 15비트를 11비트로 변환하는 과정을 거침 l 전송 중에 발생할 수 있는 데이터의 누락 및 복원을 위하여 traffic matrix를 구성하
도록 함
그림 I-7-2. 네트워크 상 아날로그 신호의 디지털 변환
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그림 I-7-3. 압축센싱을 이용한 누락 데이터 복원 방법
l 전체 데이터의 sparsity를 확보하기 위하여 전체 데이터에서 0이 많을 때는 1의 값 을 압축 센싱의 입력값으로 사용하며, 1이 많은 때는 0을 입력값으로 활용하도록 함
l Traffic matrix는 주어진 데이터의 송수신간의 상관관계 및 시간적 흐름에 따라 결 정되기 때문에 spatio-temporal 도메인에서의 측정하도록 하며 Z(i,j,t)로 표현함, 여 기서 ,i 는 송신측, j는 수신측, t는 시간의 값을 나타내는 3차원 배열로 표현할 수 있음
l 전송중에 발생할 수 있는 누락 데이터의 복원을 위하여 압축센싱을 이용하여 데이 터를 복원할 수 있음
l 압축센싱에서 사용되는 기본적인 선형측정 방법 및 누락 데이터 복원 방법은 Traffic matrix상에서 다음과 같은 선형이론을 바탕으로 함
l 위와 같은 식에서 traffic matrix를 통해 전송된 원래 신호는 [1xN]의 크기를 갖는 X 라고 하고, 누락된 데이터를 통하여 얻어진 데이터의 크기를 Y라고 한다면, 측정을 통하여 얻어진 행력(A)와 주어진 원래 신호의 곱을 통하여 표현할 수 있음
l A는 [MxN]의 크기를 갖는 행렬로 일반적으로 M은 N에 비하여 매우 작은 값을 가 지고 있음
l 데이터의 누락을 통하여 적은 양의 데이터만이 주어졌을 때 Nyquist 샘플링보다 적 을 때 누락된 데이터를 복원할 수 있음을 의미함
l 원래 주어진 데이터가 sparse하다는 가정하에서 압축센싱을 적용할 수 있기 때문에 주어진 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환함으로써 최대한 sparse한 특성을 보존 하였음
l 압축센싱은 L1 최소화 기법을 이용한 누락 데이터 복원하는 방법으로 L1 최소화 기법은 다음과 같이 정의될 수 있음
arg∥∥
l 벡터 X의 L1 norm은 기본적으로 모든 원소의 절대값의 합으로 정의됨
l L1 normdl 일정한 벡터의 조합으로 마름모 모양의 L1 구의 표면에 위치한 벡터들
이 되어 sparse한 특성을 가지고 있는 데이터를 높은 확률로 복원할 수 있음을 의 미함
l 이러한 최적화와 관련하여 Basis Pursuit라고 불리는 선형 문제로 치환하며 문제를 풀면 복잡도를 줄일 수 있음
l A는 routing matrix를 나타내고, link-load 측정값은 X값은 나타내고 있으며, 누락 데이터 복원을 통한 최적의 값은 Y값을 나타내고 있음.
l 일반적으로 위의 식은 under-determined system으로서 적은 양의 측정 데이터로부 터 원래 신호를 복원하도록 함
l 아날로그 신호를 디지털로 변환하여 traffic matrix상에서의 누락 데이터를 복원할 결과의 scattering plot은 다음과 같음
(a)
(b)
그림 I-7-4. 압축 센싱을 이용하여 주어진 데이터의 25%의 데이터 누락시 복원 결과, (a)송신 데이터 의 scattering plot, (b)수신 데이터 의 scattering plot
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l 누락데이터 변화에 따른 EVM 변화량은 다음과 같이 차이가 날 수 있음
표 I-7-1. 누락데이터 비율에 따른 EVM 변화
l 누락 데이터의 비율이 36%인 경우에 iteration에 따른 EVM 변화가 있기 때문에 아 래와 같이 iteration에 따른 EVM 변화량을 측정하였음
표 I-7-2. 누락 데이터 36%시 iteration에 따른 EVM 변화
(8) 온도 안정화 모듈 회로설계 및 시험 구현
▷ 광부품의 온도 안정화 사양
l 당해년도의 온도 안정화 목표 사양
l 검증 시료의 조건
누락 데이터 비율 EVM(%)
36% 2.96
45% 4.57
50% 9.12
63% 12.56
Iteration 수 EVM(%)
5 2.96
100 2.76
1000 2.70
10000 2.65
항목 설계 사양
단위 비고
Min Typ Max
동작 온도 -40 +80 ℃
파장 안정도 -0.1 λP +0.1 nm λP = 설정 파장 파장 가변 -3 λC +3 nm λC = LD 파장
항목 사양
단위 비고
Min Max Thermistor
Resistance 4.2 4.6 kΩ Standard 10kΩ @25℃
Thermistor Thermistor B-Constant 3800 4000 k
▷ 온도 안정화 제어 블록도
l LD 내부 온도는 TEC에 흐르는 전류 방향 및 전류량에 의해 제어된다. Power Driver단은 소비전력을 줄이면서 정밀 제어를 위한 PWM 제어와 과전류 및 과전압 에 의한 주요 광부품 손상을 막기 위한 보호 회로가 내장 되어 있다.
l MPU에서 설정된 기준 온도는 고분해능 D/A Converter를 통해 기준값을 PI 제어 기에 입력되며 LD 내부 온도를 모니터링 할 수 있는 Thermistor를 통한 전압 상태 와 PI 제어기에서 기준값의 차이에 해당하는 전류를 TEC에 인가한다.
그림 I-8-1. 온도 안정화 제어 블록도
l TEC에 인가된 전류는 방향에 따라 LD 내부를 Cooling 및 Heating을 통해서 LD 내부 온도를 제어할 수 있다.
l Power Driver에서 발생되는 PWM 신호에 의한 Noise 성분이 공급되는 전원(+5V, 변경 가능)에 Feedback 되어 전체 신호의 Noise 성분으로 되먹임 되는 것을 방지하 기 위한 L/C Filter를 내장하여 안정된 동작을 할 수 있게 한다.
l LD 내부 온도를 정밀 제어하기 위해서는 공급되는 전원의 흔들림에 따라 Temp 기 준 설정값이 흔들리지 않게 하기 위해서 Ref. Voltage(+4.1V)를 적용하여 외부 전원 변동에 영향을 받지 않게 한다.
Thermistor Current 10 100 ㎂ Thermoelectic Cooler(TEC)
TEC Current - 0.3 A Tcase=-40℃ to +85℃
TEC Voltage - 2.5 V
TEC Power 0.75 W
TEC Capacity -90 50 ℃
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▷ 온도 안정화 제어 알고리즘
l TEC 제어를 위한 Firmware의 알고리즘은 아래와 같다. TEC의 경우 소비전류가 매 우 높기 때문에 순간적인 Overshoot등을 방지할 수 있는 알고리즘을 구현해야 한 다. 또한 과도응답에 빠른 대응 및 정밀한 온도 제어를 위해서는 2단계의 TEC 안정 화 알고리즘을 구현하여 외부 환경 변화에도 정밀한 온도 제어를 할 수 있게 한다.
그림 I-8-2. 온도 안정화 제어 알고리즘
▷ 온도 안정화 회로도
l 아래 그림은 온도 안정화 모듈을 구현한 회로도이다. MCU를 이용하여 PC에서 레 지스터 설정값을 통한 LD 내부 온도를 가변 할 수 있게 하여 다양한 실험을 할 수 있게 제작 되었다.
그림 I-8-3. 온도 안정화 모듈 회로도
l 아래 그림은 LD 내부의 TEC에 전류를 제어하는 Power Driver 칩을 적용한 주변 회로도이다.
그림 I-8-4. LD내부 TEC 전류 제어용 Power driver 회로도
l 아래 그림은 LD 및 MCU에서 설정값과 LD 내부의 현재 상태를 Feedback 할 수 있는 PI 제어기 및 D/A Converter 이다. D/A Converter의 전원은 외부 전원 변동 에 흔들리지 않게 Ref. Voltage를 인가하여 안정된 설정 기준값을 가져갈 수 있게 하였다.
l PI 제어기의 시정수는 최적의 온도 제어를 할 수 있게 적용 되었다.
- 31 -
그림 I-8-5. PI 제어기 및 D/A Converter 회로도
▷ TEC 제어를 위한 전원 On/Off 시 고려할 점
l 초기 전원을 인가 시 TEC Power Driver는 LD Thermistor와 MCU의 설정값이 안 정되기 전에 과도한 전류가 흐를 수 있다. 아래 그림에서 빨간선은 TEC Control 전 압을 보여준다. 전원 On 시 TEC 제어 전압은 과도응답 특성으로 TEC에 과전류가 흐를 수 있다. 노란선은 LD의 Thermistor 전압이며 초록선은 MCU의 초기 DAC 출력값(F/W 초기화 전)을 보여준다. 따라서 전원 인가 후 약 120ms 동안은 TEC Power Driver를 Shutdown 시켜서 과전류가 흐르지 않게 해야 한다.
l MCU에서 전원 안정화 후 설정값을 DAC를 통해서 출력 후 TEC Power Driver를 구동하여 TEC에 전류가 흐를 수 있게 하여 LD의 파장 안정화를 제어한다.
l LD의 Thermistor 전압 안정화는 약 300ms 가 소요되기 때문에 안정화 후 LD Bias 를 인가하여 광파워가 출력되게 알고리즘을 구현 한다.
그림 I-8-6. TEC 제어용 전압 파형도
▷ 파장 설정을 위한 LD 내부 온도 제어
l LD의 중심파장을 기준으로 내부 온도 설정을 변경하면서 파장 변화를 측정하였다.
상온에서 LD 내부 온도를 변경하면서 7.5nm의 파장 변화를 제어할 수 있었다.
Heating에 의해 +3.6nm 장파장으로 Shift 하였으며 Cooling에 의해 -3.9nm 단파장 으로 Shift 함을 알 수 있었다.
그림 I-8-7. LD 내부온도 변화에 따른 파장변화
▷ 파장 안정도
l MCU를 통한 LD의 내부 온도를 설정하여 온도 제어가 안정되는지 보기 위하여 LD 의 출력 파장을 모니터링 하였다. 아래 그래프는 동일한 LD에 내부 온도 설정을 통 해 파장을 1608.4nm, 1612nm로 설정한 후 챔버의 외부 온도를 -40℃ ~ +80℃까지 변화 시키면서 LD 출력 파장 변화를 모니터링 하였다. 외부 온도 변화에 대해서 파 장 안정도는 매우 우수함을 알 수 있다.
(a)
(b)
그림 I-8-8. LD 내부온도 변화에 따른 파장안정도, (a)1608.4nm, (b)1612nm
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(9) 협대역 광 멀티 밴드 캐리어(MC) 구현
▷ 5 MC 발생 :
l 2중 SSB 변조기를 이용하여, 그림 I-9-1에 보인 바와 같이 평탄성(0.2 dB) 이 우수한 10 GHz 간격의 5개 MC를 구현함. 5개의 MC 이외는 존재하지 않아 50 GHz의 DWDM 채널에 적용할 경우, 옆의 DWDM 채널과 채널간섭이 존재하지 않음.
그림 I-9-1. 10 GHz 간격의 5개 MC 발생 결과
l 그림 I-9-2는 모듈로 만든 사진임. 소지 및 이동 가능함. 추후 이 모듈을 사용하여 다중밴드 전송 실험 예정임.
(라이콤 제공 예정)
그림 1-9-2. 제작된 10G 간격의 5 MC 모듈 사진
▷ 다중 MC 발생 실험 :
l 모사실험에 의해 최적 조건을 잡고 있음.
l 2개의 강도변조기와 1개 이상의 위상변조기를 사용함 l 7개의 MC를 발생시킴
그림 I-9-3. 10G 간격의 다중 MC 발생 실험 장치도
그림 I-9-4. 10G 간격의 다중 MC 발생 실험 결과
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Ⅱ. 기술개발결과
※ 기술개발 결과물(논문, 지식재산권, 기술수준, 성능, 품질, 시제품, 기술문서 등)에 대해 기재 - 논문의 경우 “국내 및 국외 발표” 자료로 분류해서 상세히 작성
- 특허의 경우 “국내 출원 및 등록”, “국외 출원 및 등록”으로 분류해서 상세히 작성 - 기술 수준, 성능, 품질은 관련 입증 자료 또는 시험성적서 등 첨부
- 시제품 설계 및 제작은 관련 기밀 유출이 되지 않는 범위 내에서 설계도 또는 제작 도면 등도 첨부
※ 고용 창출 효과 기재(신규 고용 실적 등)
Ⅱ-1 논문
(1) 국제학술지 논문 (SCI 급) : 목표 3건 – 초과 달성(5건)
▷ Yong-Yuk Won, Sang-Min Jung, Sang-Kook Han & Sang Min Yoon
“Improvement of transmission capacity in optical orthogonal frequency division multiplexed access link using an adaptive sampling and L1-minimization based on compressive sensing,” Optical and Quantum Electronics, vol. 47. no. 8, Jun. 2015.
- 요약 : A new technique, which can increase the data rate in optical orthogonal frequency division multiplexed access link, is proposed in this paper.
An adaptive sampling based on a compressive sensing (CS) technique is implemented in order to save channel bandwidth. The CS tells us that all signals with high sparsity, which is sampled below the Nyquist/Shannon limit, can be reconstructed successively using sufficient measurement. In this paper, it is reported that the compression ratio of 40 % is observed within the error free optical transmission (FEC limit: BER of 10-3) in case of QPSK symbols. It means that its data rate can be increased by 1.7 times (from 1.56
구분
특허 논문 표준화
기술 이전
상용화 (백 만원)
기술료 (백만원)
성과홍보 (기타)
시제 품
S/W
등록기술
문서
국제 국내
SCI (E)
비SCI 국제 국내
출원 등록 출원 등록 국제 국내기고서제출 기고서채택 표준안채택 기고서제출 기고서채택 표준안채택 (2014년)1차년도
목표
/달성 / 2/2 / 2/3 2/0 2/0 / / / / / / / / / 1/1 / / 1/1
2차년도
(2015년) / / 2/2 1/0 3/5 2/0 2/2 / / / / / / / / / 1/3 / 1/1 1/1
3차년도
(2016년) 1/ / 2/ 1/ 4/ 2/ 3/ / / / / / / / / / 1/ / 1/ 1/
4차년도
(2017년) 2/ 1/ 3/ 2/ 5/ 2/ 4/ / / / / / / / / / 1/ / 1/ 1/
(2018년)5차년도 2/ 2/ 3/ 3/ 6/ 3/ 5/ / / / / / / / / / 1/ / 1/ 1/
합계 5/ 3/ 12/ 7/ 20/ 11/ 16/ / / / / / / / / / 5/ / 4/ 5/
to 2.3 Gbps) using the proposed technique without the use of optical and electrical devices with higher physical bandwidth.
▷ Jae-Ho Han, Sang Min Yoon, Gang-Joon Yoon, “IDecoupling structural artifacts in fiber optic imaging by applying compressive sensing,”Optik, vol. 126. no. 19, pp. 2013-2017, Oct. 2015.
- 요약 : Endoscopic optical coherence tomography (OCT) is an emerging method for noninvasive microscopic probing in biomedicine.
In this paper, the feasibility of alleviating the pixelated structural artifacts created by a fiber bundle-based OCT imaging method is investigated using a novel statistical analysis. We demonstrate an efficient nonparametric iterative compressive sensing (CS) technique that is efficient in reconstructing the original pattern shape from a pixelated image of a reference US Air Force resolution chart. An efficient implementation scheme for the shape recovery is presented along with the results of experiments that demonstrate a peak signal-to-noise ratio of 18 dB and a noise variation of less than 0.3 dB with no honeycomb effect in the image is obtained after 40 iterations which is significantly efficient than the previous iterative method of learning image priors.
▷ D. S. Seo, C. D. Park, D. E. Leaird, A. M. Weiner, “Improvement of a Pound-Drever-Hall Technique to Measure Precisely the Free Spectral Range of a Fabry-Perot Etalon,”J. Opt. Soc. of Korea, vol.
19. no. 4, pp. 357-362, Aug. 2015.
- 요약 : In this paper, we examine the principle of a modified Pound-Drever-Hall (PDH) technique to measure the free spectral range of a Fabry-Perot etalon (FPE). The FPE’s periodic transmission of phase modulated light allows us to adopt a sampling theorem to develop a new relationship for the PDH error signal.
This leads us to find the key parameters governing the measurement accuracy: the phase modulation index (β) and FPE finesse. Without any additional complexity for background noise reduction, we achieve the measurement accuracy of 0.5 ppm precision. The improvement is mainly attributed to the wideband phase modulation approaching β = 10, and partly to the use of both reflected and transmitted light from the FPE and good FPE finesse.
▷ Yu-Suk Sung, Yong-Hwa Kim, Jong-Ho Lee, and Seong-Cheol Kim “Be cautious when analyzing the sampling clock offset in OFDM
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systems,”Wireless Pers. commun., vol. 85, no.4, pp. 1701-1711, Dec. 2015.
- 요약 : Many studies have analyzed the effects of sampling clock offset (SCO) on orthogonal frequency-division multiplexing (OFDM) systems. The results of these studies are based on one of two discrete representations of continuous time-domain OFDM signals: (1) a subcarrier set consisting of both negative and positive frequencies, or (2) a subcarrier set comprising only positive frequencies. This paper discusses whether there is any difference between the two representations in the presence of SCO. When SCO is not considered, both representations are equivalent because of aliasing. In the presence of SCO, we derive a closed form of signal-to-interference-plus-noise ratio (SINR) expressions for both cases and compare their performances in terms of SINR by numerical analysis. The latter representation shows worse SINR performance compared to the former representation because the effect of SCO is more relevant for high frequencies and the latter representation has complex exponentials with high frequencies. Therefore, for fair comparisons of performance, caution is needed when analyzing SCO in OFDM systems.
▷ S. Lim, J. -H. Lee, W. Y. Choi, I. H. Cho, “Pull-In Voltage Modeling of Graphene Formed Nickel Nano Electro Mechanical Systems (NEMS) ,”J. Semi. Tech. and Sci., vol. 15. no. 6, pp. 647-652, Dec.
2015.
- 요약 : Pull-in voltage model of nano-electromechanical system with graphene is investigated for the device optimization. In the pull in voltage model, thickness of graphene layer is assumed to be uniform in vertical and lateral direction. Finite element analysis simulation has verified the feasibility of the suggested model. From the suggested model, pull-involtage change with graphene thickness and cantilever length can be estimated. Maximum induced stress and graphene thickness have a reciprocal relationship.
(2) 국내외 논문 (비 SCI) : 목표 4건 – 미진(2건)
▷ Thanh Tuan Tran and Dong-Sun Seo, “A Flexible and Tunable Microwave Photonic Filter Based on Adjustable Optical Frequency Comb Source,” 전기전자학회논문지, 제 19권 제1호, pp. 27-32, 2015. 3. 31.
- 요약 : A flexible and tunable microwave photonic filter based on adjustable optical frequency comb source is demonstrated. We use a combination of a dual parallel Mach Zehnder modulator and an intensity
modulator to generate fifteen comb lines with proper weights to implement a desired filter. The optical comb weights, corresponding to the tap coefficients of the filter, are flexibly changed by adjusting the operation parameters of the modulators. The achieved bandwidth and stopband attenuation of the tunable filter are 0.7 GHz and 20 dB, respectively. In addition, we overcome the undesired low frequency suppression appeared in a conventional scheme by applying a dual parallel Mach Zehnder modulator for single sideband suppressed carrier modulation.
▷ 조일환, 서동선 “““실리콘 트랜치 구조 형성용 유전체 평탄화 공정,” 전기전자학회논문 지, 제19권 제1호, pp. 41-44, 2015. 3. 31.
- 요약 : 소자의 집적화에 필수적인 소자 분리공정에서 화학약품의 오염 문제 등을 발생시키는 화학적 기계연마기술(CMP) 공정을 사용하지 않고 벌크 finFET(fin field effect transistor) 의 트랜치 구조를 형성할 수 있는 공정 에 대하여 제안하였다. 사진 감광막 도포시 발생하는 두께차이와 희생층으로 사용되는 실리콘 질화막을 사용하면 에칭 공정만을 사용하여 상대적으로 표 면 위로 돌출된 부분의 실리콘 산화막 층을 에칭하는 것은 물론 finFET 의 채널로 사용되는 실리콘 트랜치 구조를 한번에 형성할 수 있는 특징을 갖는 다. 본 연구에서는 AZ1512 사진 감광막을 사용하여 50 나노미터급 실리콘 트랜치 구조를 형성하는 공정을 수행하였으며 그 결과를 소개한다.
(3) 국내외 학술발표논문 (비 SCI) : 목표 (홍보) 1건 – 초과 달성(4건)
▷ Y. Y. Won, D. S. Seo, S. M. Yoon, “Orthogonal Frequency Division Multiplexed Passive Optical Access Transmission with Improved Transmission Capacity by the use of Adaptive Sampling based on Compressed Sensing,” Proc. of ICTC(International Conference on ICT Convergence),2015 Jeju, Oct. 28-30, 2015, pp. 942-944.
▷ Y. Y. Won, D. S. Seo, S. M. Yoon, “Improvement of Transmission Capacity of Visible Light Access Link using Bayesian Compressive Sensing,” Proc. of APCC(Asia Pacific Conference on Communications)2015, Kyoto Univ., Kyoto, Japan, Oct. 14-16, 2015, pp. 449-453.
▷ Y. Y. Won, D. S. Seo, S. M. Yoon, “Optical OFDM Access Link with Improved Transmission Capacity by use of Adaptive Sampling based on Compressive Sensing ,” Proc. of OPAP(Conference on Optoelectronics, Photonics, & Applied Physics)2016, Singapore, Jan.
18-19, 2016.
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▷ 원용욱, 서동선, “가시광 LED기반 광무선 전송시스템을 위한 3차원 변조기술 연구,”제 17회 전자정보통신 학술대회 논문집
Ⅱ-2 특허
(1) 국내 출원 : 목표 2건 – 목표 달성
▷ 출원 일자 : 2015.09.30
출원 번호 : 10-2015-0137954 (접수번호 1-1-2015-0947800-20) 출원인 명칭 : 명지대학교 산학협력단(2-2005-013972-0)
발명자 성명 : 이종호, 김용화
발명의 명칭 : OFDM기반 전이중 무선통신 시스템에서의 잔여 자기간섭 디지 털 제거 시스템
▷ 출원 일자 : 2015.09.03
출원 번호 : 10-2015-0124889 (접수번호 1-1-2015-0858342-55) 출원인 명칭 : 명지대학교 산학협력단(2-2005-013972-0)
발명자 성명 : 조일환 서동선
발명의 명칭 : 터널링 트랜지스터 및 이의 제조 방법 (2) 국내 등록 : 목표 1건 – 미진 (없음)
▷ 등록 일자 : 등록 번호 : 출원인 명칭 : 발명자 성명 : 발명의 명칭 :
Ⅱ-3 쏘프트 웨어 (있는 경우)
(1) 국내 등록 : 목표 1건 – 목표 달성
▷ 등록 일자 : 2015.12.02 등록 번호 : C-2015-028886
프로그램의 제호 : 압축센싱을 이용한 데이터 압축 및 복원 기술 저작자 성명 (법인명) : 국민대학교 산학협력단
Ⅱ-4 기타 실적
▷ “2015 차세대 광통신 기술 workshop” 개최 (2015. 11. 6) : 초청강사 10명, 참석인원 38명
▷ 명지대학교의 교책연구소 “차세대 광통신 기술 연구소” 교비 지원 (2차년도) : - 목적 : 주관기관인 명지대학교내 연구인력 결집 및 학부/대학원의 연구관심 유도 - 참여교수 : 서동선, 김용화, 조일환(소장), 원용욱
- 2015년 교비지원금액 : 2,000만원
▷ 표준화 관련
- 회의명: 2015 TTA 광전송 프로젝트 그룹(PG 201) 및 한국 ITU-T 연구위원회 SG15 연구반 합동워크샵
- 일시 및 장소: 2015년 11월 20일(금) ~ 2015년 11월 21일(토), 부경대학교 2호관 2126(대연캠퍼스 2호관 1층 126호)
- 활동내용: 400G 광전송 기술 구현을 위한 광변조 및 신호처리 원천기술 제안
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Ⅲ. 결론 및 차년도 계획
Ⅲ-1 결론
(1) 다중 캐리어 코히어런트(Coherent, CO)-OFDM 시스템 분석 및 개선 방안 확립
▷ 4 QAM 신호의 코히어런트 검출 실험 (Back-to-Back)
l 코히어런트 검출에 대한 개념정립 : 500 Mbaud/s 4-QAM 신호 검출 입 증, 10 Gbaud/s 신호 검출 진행중임.
▷ 16 QAM 코히어런트 전송 모사실험
l 16 QAM 신호 검출 특성 분석 : 10 Gbaud/s에서 20 dB 이상의 OSNR 요구됨 l 16 QAM 신호 전송 특성 분석 : 광증폭기 잡음이 무시되는 경우, 10 Gbaud/s 신호
의 600 km 전송 가능함을 확인함
▷ 16 QAM 코히어런트 OFDM 전송 모사실험
l 코히어런트 OFDM 전송 특성 분석 : 10 Gbps 신호를 8개의 캐리어 신호 (2.5 Gbaud/s)로 800 km 전송 모사 실험을 수행함
(2) IM/DD OFDM 시스템 분석 및 개선 방안
▷ IM/DD(크기변조 및 직접수신)기반 20Gbps OFDM 광전송 실험
l 광전송거리 50km에서 채널대역폭 4GHz에서 32-QAM 인코딩된 OFDM 심볼 전송 가능 입증(20Gbps 전송)
(3) 3차원 고밀도 멀티레벨 변조기술 개발
▷ Amplitude, Frequency, and Phase Modulation(AFPM) 변조기술 개발
l 심볼당 3비트(FSK+QPSK) 및 6비트(4-FSK+16-QAM) 전송 가능한 데이터 변조 기법 제안
(4) 압축센싱 복호화 알고리즘의 스펙 결정 및 모델링
▷ 압축센싱의 복호화 알고리즘인 직교정합추적 (OMP) 방법의 모델링 : 압축샘플링 한 후 복원을 보임
▷ MATLAB을 사용하여 부동소수점 연산수준에서 직교정합추적 방법을 모델링
▷ 쟈일링스사의 시스템 발생기 (System Generator)를 이용하여 OMP알고리즘을 시스템 수준에서 모델링
▷ 쟈일링스 System Generator를 이용한 하드웨어 생성
