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高速光纤通信系统中新型调制码型的研究与实现

作　者: 高俊明
导　师: 苏翼凯
学　校: 上海交通大学
专　业: 通信与信息系统
关键词: 高速光纤通信系统色度色散偏振模色散非线性损伤窄带滤波效应调制码型频谱效率
分类号: TN929.11
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
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内容摘要

光纤通信是人类建设信息化社会所依赖的主要技术之一。从20世纪70年代光纤通信技术成功实现商用以来,人类社会的信息化进程大大加快,这也反过来促进了光纤通信技术的发展。随着宽带数据业务和新型因特网应用的出现和发展,人们对现有的光纤通信系统的容量提出了更高的要求,40-Gb/s、160-Gb/s和100G以太网(100 GbE)等高速光纤通信技术已经成为研究的热点。随着速率的提高,信号所受到的传输损伤也越来越明显。典型的传输损伤包括色度色散(CD)、偏振模色散(PMD)、非线性效应、窄带滤波效应等。研究表明,信号在传输过程中对CD的容忍度与波特率的平方成反比,对PMD的容忍度与波特率成反比。在高速系统中,信道内的非线性效应如信道内交叉相位调制(IXPM)和信道内四波混频(IFWM)开始变得明显。另外,当速率提高时,单个信道所占的频谱也相应地增大,信道之间的频谱重叠增加,窄带滤波效应变得不容忽视。在解决上面的传输损伤的方案中,新型调制码型是一个非常重要的研究技术。例如,差分正交相移键控(DQPSK)信号每个符号携带2个比特的信息,其波特率和所占的频谱是二进制调制码型的一半,从而提高了其对CD、PMD和窄带滤波效应的容忍度。DQPSK调制码型和偏振复用技术相结合,可以进一步提高信号对这些传输损伤的抵抗能力。更高阶的调制码型,如十六进制正交幅度调制(16-QAM)信号,每个符号携带4个比特的信息,频谱效率非常高,进一步增强了其对CD、PMD和窄带滤波效应的容忍度。为了克服非线性效应,尤其是IFWM,人们也设计了一些新型的调制码型。研究表明,相位反转归零(APRZ)信号能够有效地抑制IFWM所带来的传输损伤。本文主要对高速光纤通信系统中一些新型调制码型进行研究和实现。在第一章中,对高速光纤通信系统的发展状况进行了简要的介绍,并对一些常用调制码型的实现方法和性能进行了总结。在第二章中,为了克服现有的APRZ光发射机实现复杂的缺点,我们提出并实现了一种简单而高效的发射机方案。该方案基于单个双平行马赫-曾德调制器(DPMZM),通过数据预编码技术,在调制数据的同时,自动将NRZ电信号转换为RZ光信号,并且通过设置调制器的偏置电压,改变相邻比特之间的相位,生成所需的APRZ信号。基于本方案,我们使用一个10-GHz的DPMZM,实验产生了20-Gb/s的APRZ光信号,并通过仿真验证了该信号对非线性损伤的抵抗能力。在第三章中,为了克服现有的星形16-QAM光信号不易产生的难点,我们提出并实现了一种简单而高效的星形16-QAM光发射机。该方案基于单个双驱动马赫-曾德调制器(DDMZM),利用两路4-电平驱动信号产生独立的两路QPSK光信号,然后通过调节偏置电压,使这两路光信号之间有一个π/4相位差,合路后可以产生星形16-QAM信号。根据这个原理,我们搭建了一个实验系统,基于10-GHz的DDMZM,生成40-Gb/s的星形16-QAM光信号。通过仿真,我们验证了该信号在相干接收条件下,经过80-km单模光纤(SMF)传输后具有较好的性能。在第四章中,为了降低高速系统的实现成本,我们采用低速的光电器件,提出并实验验证了一个100-Gb/s高速光传输系统。使用四倍频技术调制单个激光器,产生频率间隔为50-GHz的两个光载波。通过RZ-DQPSK调制码型和偏振复用技术,基于12.5-GHz的光电器件,实现了100-Gb/s的光发射机。根据这个方案,我们搭建了一套100-Gb/s高速光传输实验系统。实验结果表明,在没有色散补偿的条件下,经过25-km的SMF传输后,信号的性能仍然比较好,表现出很好的抗色散能力。我们也通过仿真验证了该系统对CD、PMD和非线性损伤的抵抗能力。

全文目录

摘要  3-6
ABSTRACT  6-12
第一章绪论  12-33
  1.1 光纤通信简史  12-13
  1.2 高速光纤通信技术  13-18
    1.2.1 40-Gb/s 技术  13-15
    1.2.2 160-Gb/s 技术  15-17
    1.2.3 100G 以太网技术  17-18
  1.3 高速光纤通信系统中常用码型介绍  18-31
    1.3.1 常用码型调制参数  18-19
    1.3.2 幅度调制码型  19-24
    1.3.3 相位调制码型  24-29
    1.3.4 常用码型性能比较  29-31
  1.4 本论文的主要研究工作及创新点  31-32
    1.4.1 基于单个双平行MZM 的APRZ 光发射机设计与实现  31-32
    1.4.2 基于单个双驱动MZM 的星形16-QAM 光发射机设计与实现  32
    1.4.3 100-Gb/s 高速光传输系统设计与实现  32
  1.5 本章小结  32-33
第二章基于单个双平行MZM 的APRZ 光发射机设计与实现  33-45
  2.1 研究背景  33
  2.2 现有技术方案  33-36
    2.2.1 基于三个级联调制器的实现方案  33-35
    2.2.2 基于两个级联调制器的实现方案  35-36
  2.3 基于单个双平行MZM 的APRZ 光发射机  36-40
    2.3.1 实现原理  36-37
    2.3.2 所使用的主要技术  37-40
  2.4 实验及仿真结果  40-43
  2.5 本章小结  43-45
第三章基于单个双驱动MZM 的星形16-QAM 光发射机设计与实现  45-59
  3.1 研究背景  45-46
  3.2 现有技术方案  46-47
    3.2.1 基于四个级联调制器的实现方案  46-47
    3.2.2 基于三个级联调制器的实现方案  47
  3.3 基于单个双驱动MZM 的星形16-QAM 光发射机  47-54
    3.3.1 实现原理  48
    3.3.2 所使用的主要技术  48-54
  3.4 实验及仿真结果  54-58
  3.5 本章小结  58-59
第四章 100-Gb/s 高速光传输系统设计与实现  59-83
  4.1 研究背景  59-60
  4.2 现有技术方案  60-63
    4.2.1 WDM 方案  60-61
    4.2.2 ETDM 方案  61-62
    4.2.3 DQPSK 调制方案  62-63
  4.3 基于低速光电器件实现100-Gb/s 高速光传输系统  63-67
    4.3.1 实现原理  63-65
    4.3.2 所使用的主要技术  65-67
  4.4 100G 系统实验  67-74
    4.4.1 系统实验框图  67-68
    4.4.2 发射机设计与实现  68-70
    4.4.3 接收机设计与实现  70-71
    4.4.4 系统性能测试  71-74
  4.5 100G 系统仿真  74-81
    4.5.1 系统仿真结构  74-79
    4.5.2 仿真性能总结  79-81
  4.6 本章小结  81-83
第五章全文总结  83-86
  5.1 研究工作总结  83-84
  5.2 研究展望  84-86
参考文献  86-95
符号与标记（附录1）  95-97
致谢  97-98
攻读硕士学位期间所取得的科研成果  98-100
上海交通大学学位论文答辩决议书  100-102

高速光纤通信系统中新型调制码型的研究与实现

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