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偏振复用相干光通信系统数字均衡技术的研究

作　者: 曾祥烨
导　师: 赵启大
学　校: 南开大学
专　业: 光学
关键词: 电域色散均衡偏振复用相干检测光正交频分复用有限冲激响应无限冲激响应最小均方递归最小二乘信道估计凯撒窗符号内频域平均
分类号: TN929.1
类　型: 博士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

色散均衡技术是光纤通信系统的关键技术之一，而电域数字均衡技术与光域色散补偿技术相比，既有体积小、成本低的优势，又可以与数字信号处理技术相结合实现优异的性能，因此数字均衡技术成为光纤通信领域的研究热点之一。受益于超大规模数字集成电路工艺的发展，以及多进制调制、相干检测、偏振复用（PDM）等技术在光通信领域的应用，数字均衡技术已成为下一代100Gbit/s光网络的必备技术。相干检测不仅能提高接收机的灵敏度，而且能保持光纤色度色散和偏振模色散对信号影响的线性，适合作为长距离光纤通信系统的检测方案。偏振复用在不改变光纤链路的情况下，增加发射机和接收机的复杂度，使得系统传输容量翻倍。偏振复用相干检测与传统的多进制调制结合常称为单载波系统，而正交频分复用（OFDM）则是多载波调制，它增加了系统的灵活性，并提供了100Gbit/s以上系统传输容量的能力。本论文主要研究偏振复用相干检测单载波系统和光正交频分复用系统的数字色散均衡技术。本论文的工作是在河北省自然科学基金项目（No. F2008000116）和国家自然科学基金项目（No.60572018）的支持下进行的。主要研究内容有：1.根据非线性薛定谔（NLS）方程，分析了30ps以上光脉冲在长距离光纤中的传输方程，研究了群速度色散（GVD）和偏振模色散（PMD）对光信号传输的影响，并分析了偏振模色散的补偿原理；研究了偏振复用相干检测单载波系统和光正交频分复用系统的线性信道模型，分析了光纤信道色度色散（CD）和偏振模色散的矩阵模型，建立了112Gbit/s偏振复用相干检测单载波系统和光正交频分复用系统的仿真模型。2.针对100Gbit/s偏振复用相干检测单载波系统，提出了一种以蝶形复数有限冲激响应（FIR）滤波器为基本结构的数字色散均衡器，以递归最小二乘（RLS）算法实现自适应，并与最小均方（LMS）算法实现自适应的均衡器相比较。仿真分析了两种算法更新的均衡器在不同信道线性损伤条件下的均衡性能。实验结果表明：递归最小二乘算法对信道残留色度色散和偏振模色散的均衡效果优于最小均方算法，在25抽头均衡器的配置下，它能以2.74dB的光信噪比代价同时补偿1760ps/nm的残留色度色散和104.9ps偏振模色散引起的平均差分群时延，与同等条件下的最小均方算法相比有2.23dB的性能提升。3.提出了一种用于100Gbit/s偏振复用相干检测单载波系统的数字色散均衡器，以蝶形复数无限冲激响应（IIR）滤波器为基本结构，以最小均方算法完成自适应。仿真分析了该均衡器在不同信道线性损伤条件下的均衡性能。实验结果表明：在21前馈抽头+2反馈抽头的配置下，该均衡器能以2.95dB的功率代价同时补偿1440ps/nm的残留色度色散和95ps的平均差分群时延。4.提出了一种基于凯撒窗函数的改进的符号内频域平均（ISFA）算法，用于改善100Gbit/s偏振复用相干检测光正交频分复用系统的信道估计和均衡在噪声环境下的性能。仿真分析了不同系统条件下改进算法与原算法的信道估计均衡性能。实验结果表明：基于凯撒窗的改进的符号内频域平均算法比原算法在性能上有所提升。改进算法用于补偿1000km常规单模光纤的群速度色散和偏振模色散达到前向纠错码（FEC）要求的误码率上限所需的光信噪比为15.73dB，比原算法低0.24dB。改进算法用于补偿900km常规单模光纤的群速度色散和偏振模色散所需的光信噪比代价为3.01dB，比原算法低0.35dB。

全文目录

摘要  5-7
Abstract  7-13
第一章引言  13-20
  第一节课题的选题背景  13-14
  第二节偏振复用相干检测单载波光通信系统的研究进展  14-16
  第三节偏振复用相干检测光正交频分复用系统的研究进展  16-18
  第四节本论文的研究内容和结构安排  18-20
第二章色散效应对光纤中信号传输的影响  20-45
  第一节脉冲信号在光纤中的传输  20-22
  第二节群速度色散对光脉冲传输的影响  22-31
    2.2.1 群速度色散主导条件下传输方程的简化  22-23
    2.2.2 啁啾高斯脉冲的展宽  23-29
    2.2.3 群速度色散对通信系统性能的限制  29-31
  第三节偏振效应对光脉冲传输的影响  31-34
  第四节偏振模色散的描述和补偿  34-44
    2.4.1 琼斯矩阵、穆勒矩阵和 PMD 矢量  35-38
    2.4.2 偏振模色散的解析求解  38-42
    2.4.3 偏振模色散的补偿原理  42-44
  第五节本章小结  44-45
第三章偏振复用相干检测单载波系统的研究  45-61
  第一节偏振复用相干检测单载波系统原理及结构  45-50
  第二节多种调制格式的理想误码率性能分析  50-53
  第三节偏振复用相干检测单载波系统的信道建模  53-56
  第四节 100Gbit/s 偏振复用相干检测单载波系统仿真平台的建立  56-59
  第五节本章小结  59-61
第四章 100Gbit/sPDM 相干检测系统自适应均衡技术的研究  61-103
  第一节线性最优滤波器理论  61-66
  第二节基于复数 FIR 结构的自适应均衡技术研究  66-89
    4.2.1 LMS 算法更新的自适应均衡  67-71
    4.2.2 LMS 自适应均衡的仿真分析  71-77
    4.2.3 RLS 算法更新的自适应均衡  77-82
    4.2.4 RLS 算法自适应均衡的仿真分析  82-87
    4.2.5 LMS 算法与 RLS 算法的均衡性能比较  87-89
  第三节基于复数 IIR 结构的自适应均衡技术研究  89-101
    4.3.1 LMS 更新的复数 IIR 自适应均衡  89-94
    4.3.2 均衡性能仿真分析  94-99
    4.3.3 IIR 均衡与 FIR 均衡的性能比较  99-101
  第四节本章小结  101-103
第五章 100Gbit/s PDM-OFDM 系统信道估计技术的研究  103-128
  第一节光 OFDM 系统原理及结构  103-108
  第二节信道特性及对光 OFDM 系统的影响  108-113
    5.2.1 群速度色散的影响  109-110
    5.2.2 偏振模色散的影响  110-111
    5.2.3 偏振复用光 OFDM 系统的信道模型  111-113
  第三节光 OFDM 系统中的信道估计技术  113-119
    5.3.1 基于训练符号的信道估计  114-117
    5.3.2 符号内频域平均  117-118
    5.3.3 改进的符号内频域平均  118-119
  第四节偏振复用光 OFDM 系统仿真平台的搭建及仿真结果分析  119-127
    5.4.1 112Gbit/s 偏振复用光 OFDM 系统仿真平台的搭建  119-121
    5.4.2 信道估计性能仿真及结果分析  121-127
  第五节本章小结  127-128
第六章结论  128-130
参考文献  130-139
致谢  139-140
个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果  140

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