摘 要

随着宽带数据业务的日益发展，光纤通信开始向更高速率、更长距离和更大容量不断追求，在提高光信号的频谱效率的同时，不可避免地引起传输信号间的码间干扰（ISI）。造成码间干扰的原因可以分为两大类，一类是在传输信道中由于色度色散（CD），模式色散以及偏振模色散（PMD）带来的码间干扰；另一类是人为地提高传输速率而引入的码间干扰，又称为超奈奎斯特技术（FTN）。因此深入研究高频谱效率系统中码间干扰抑制技术具有理论和实际应用意义。

本文分析光纤中的色度色散、偏振模色散以及超奈奎斯特产生的机理以及对系统性能的影响，并对色度色散、偏振模色散以及提高传输速率引入的码间干扰逐一进行补偿。对于光纤中的色度色散，比较了时频域算法的实现复杂度，采用重叠频域均衡算法（OFDE）进行补偿；对于光纤中的偏振模色散，使用恒模算法（CMA）进行补偿，由于恒模算法只对恒模信号有很好的收敛效果，对于存在多个模值的高阶调制mQAM，采用CMA DDLMS算法进行补偿；对于光纤中的FTN现象，本文采用判决引导最小均方算法（DDLMS）进行补偿。基于Matlab和VPI的联合仿真分析，最终补偿了信道中色度色散、偏振模色散以及提高传输速率引入的码间干扰。

关键词：码间干扰；色度色散；偏振模色散；超奈奎斯特；恒模算法

Abstract

With the development of broadband data services, optical fiber communications are beginning to pursue higher speeds, longer distances, and larger capacities. The causes of inter-symbol interference can be divided into two major categories. One is inter-symbol interference due to Chromatic Dispersion (CD), Mode Dispersion, and Polarization Mode Dispersion (PMD) in the transmission channel; the other is artificially caused. The inter-code interference introduced to increase the transmission rate is also referred to as Faster Than Nyquist technology (FTN). Therefore, it is of theoretical and practical significance to deeply study the inter-symbol interference suppression technology in high spectrum efficiency systems.

This paper analyzes the mechanism of chromatic dispersion, polarization-mode dispersion and Faster Than Nyquist technology generation in optical fiber and its effect on system performance. It also compensates one by one for inter-symbol interference introduced by chroma dispersion, polarization mode dispersion, and increased transmission rate. For the chromatic dispersion in the fiber, the implementation complexity of the time-frequency domain algorithm is compared and an Overlay Frequency Domain Equalization algorithm (OFDE) is used for compensation; for the polarization-mode dispersion in the fiber, a constant modulus algorithm (CMA) is used to compensate. The constant modulus algorithm only has a good convergence effect on the constant-mode signal. For the high-order modulation mQAM with multiple modulus values, the CMA DDLMS algorithm is used to compensate. For the FTN phenomenon in the fiber, the decision-directed least mean square algorithm is used in this paper. (DDLMS) compensates. Based on the joint simulation analysis of Matlab and VPI, the chromatic dispersion in the channel, polarization mode dispersion, and inter-symbol interference introduced by the increase of the transmission rate are finally compensated.

Key Words： inter-symbol interference; chromatic dispersion; polarization mode dispersion ; Faster Than Nyquist ; constant modulus algorithm

目 录

第1章 绪论 1

1.1 选题背景与意义 1

1.2 相干光通信系统概述 2

1.2.1 相干接收机 2

1.2.2 数字信号处理 4

1.3 技术现状 4

1.3.1 色散补偿技术的发展现状 4

1.3.2 偏振模色散补偿技术的发展现状 5

1.3.3 FTN均衡技术发展现状 6

1.4 主要研究内容及章节安排 6

第2章 色度色散引发的码间干扰及抑制 7

2.1 色度色散 7

2.2 基于色散补偿的均衡技术 9

2.2.1 基于色散补偿的频域均衡 9

2.2.2 基于色散补偿的时域均衡 10

2.2.3 基于色散补偿的时频域均衡比较 12

2.3 色散色散码间干扰抑制的仿真分析 12

2.3.1 仿真系统搭建 12

2.3.2 仿真结果分析 14

2.4 本章小结 15

第3章 偏振模色散引发的码间干扰及抑制 16

3.1 偏振模色散 16

3.1.1 偏振模色散产生原因 16

3.1.2 偏振模色散的表示方法 16

3.2 基于偏振模色散补偿的均衡技术 17

3.2.1 均衡滤波器结构 17

3.2.2 用于抽头系数更新的自适应算法 18

3.3 偏振模色散码间干扰抑制的仿真分析 20

3.3.1 仿真系统搭建 20

3.3.2 仿真结果分析 22

3.3.3 方案改进 24

3.4 本章小结 26

第4章 FTN引发的码间干扰及抑制 27

4.1 光纤中的FTN 27

4.1.1 奈奎斯特准则 27

4.1.2 FTN传输模型 28

4.2 FTN码间干扰抑制的仿真分析 29

4.2.1 仿真系统搭建 29

4.2.2 仿真结果分析 30

4.3 本章小结 31

第5章 总结 32

参考文献 33

致 谢 35

第1章 绪论

选题背景与意义

从广义来说，以光信号作为信息传输的载体的通信方式，都可以称之为光通信。早在两千多年以前，我们的祖先已经知道利用烽火传输单个信息，之后还出现了利用信号灯，旗语等方式进行通信。1996年，英籍华裔科学家高锟与何克汉(G.A.Hockham)通过移除玻璃纤维中的杂质，将光纤的损耗降低到20dB/km，发现光纤可以作为通信传输媒介，从此以后，以光纤作为光通信载体技术便以惊人的速度发展起来。

在传统的光纤通信系统中，由于器件水平的限制，人们常常利用强度调制/直接检测方式对光信号进行处理。这种调制方式系统成熟，简单，成本低且性能优良，但这种方式也存在着缺点。强度调制是指在发射端使用强度调制器对光载波的强度进行调制，传输的信息由强度变化来表示；直接检测是指在接收端直接用光敏二极管对光信号进行探测，从而恢复出最初的数字信号，这样的检测方式只能检测出载波的包络。后来随着信息技术的快速发展，互联网业务对带宽的巨大需求，推动了光纤通信系统单道传输速率迅猛提升。超长距离、超高速以及超大容量始终是光纤通信系统的三个追求的发展目标。人们逐渐开始研究更为先进的光纤通信方式，此时关于数字相干光通信技术开始成为人们研究的热门课题。基于相干检测的数字相干通信系统除了对光信号进行幅度调制外，还可以采用频移键控或相移键控等其他多种调制方式，有效地保留了光信号的振幅，频率，相位以及偏振态等信息。

然而，在光纤通信的频谱效率不断提升的过程中，其性能也会受到很多因素制约。其中一个重要因素是光纤信道中色散和偏振模色散的制约，由于色散和偏振模色散的存在，会导致波形在时域上展宽，使相邻波形之间会发生串扰，产生码间干扰。在长距离的通信系统中，偏振模色散效应尤为明显^[1]。如何消除光纤中的色散和偏振模色散给光纤通信系统带来的不利影响，从而提高光纤传输距离，成为下一代光传输系统能否实现的关键因素之一^[2]。除此之外，为了实现光纤通信系统超高速的发展目标，将光通信的码元速率提升到奈奎斯特码元速率之上会极大地提升系统的容量以及频谱效率^[3]，这种技术叫超奈奎斯特技术（FTN）。然而，该技术的应用不可避免地引入了码间干扰，如何消除由FTN引发的码间干扰也成为人们研究的热点。

相干光通信系统概述

相干光通信系统的结构框图如图1.1，主要包括发射模块，光纤传输链路，相干接收机以及数字信号处理（DSP）。对于偏振复用的QPSK信号传输过程：发送端的激光器通过偏振分数器产生X/Y两路相互垂直的光源，通过光调制器形成两路相互垂直的信号光，两路光经过合束器后进入光纤链路中传输。信号光在光纤链路中传输的过程中，会由于光纤中的色散，偏振模色散等因素的制约，从而发生信号劣化失真的现象。之后到达相干光接收机，相干接收机由本地振荡器，90度光混频器，以及光电二极管等器件组成。从光纤链路输出的信号光经过偏振分束器得到X/Y两路相互垂直的信号光，再分别与本地振荡器分束得到的X/Y混频光进行相干混频，混频输出的四路光信号通过光电二极管得到四路模拟电信号。模拟电信号通过ADC采用转换成数字信号，再经过DSP处理得到补偿过后的信号。

图1.1 相干光通信系统

1.2.1 相干接收机

下面对相干接收机的原理进行分析。假设接收到的光信号为E(t)，经过偏振分束器之后得到的X偏振和Y偏振的信号光分别为E_X(t)和E_Y(t)。本地振荡激光器的输出本振光信号为E_LO(t)。下面以X偏振支路为例，说明数字相干接收机的工作原理。若不考虑信号光在光纤中传输过程中的各种损伤(如色散、非线性效应、偏振旋转等)，接收到的X支路信号光和本振信号光的表达式如下：

式中，，，分别是本振信号光的振幅，频率和相位。，，分别是X偏振支路信号光的振幅，频率和相位。X偏振支路的信号光与本振信号光在90光混频器中进行相干混频。90光混频器由四个3dB耦合器和一个90相移器。结构图1.2所示。

图1.2 90光混频器

3dB耦合器的传输函数为：

经过矩阵运算，输出光信号E₁，E₂，E₃，E₄的表达式为：

从90光混频器输出的四路光信号经过平衡探测器，分别得到四路电信号，光电流的表达式如下：

式中，R为光电二极管的响应度。由上述四路信号合成的两路同向正交信号为：

1.9)

1.10)

但在实际的相干光通信系统中，由于光纤信道中的色散，非线性以及偏振旋转等因素会对信号造成损伤，需要将模拟的电信号通过ADC模块转换成数字信号，随后进入数字信号处理模块，对已损伤的信号进行补偿。

1.2.2 数字信号处理

数字信号处理^[4]（DSP）是相干通信系统中不可缺少的一个模块。DSP模块主要包括模数转换（ADC），色散补偿，偏振解复用，载波频率和相位估计以及判决之后误码率的计算等。模数转换部分就是将经过平衡探测器之后的模拟电信号转换成数字电信号，以方便之后对信号进行处理。色散补偿是通过专门的算法将由于色散而导致已失真的信号进行补偿，消除因为色散带来的码间干扰。偏振解复用是针对偏振复用信号而言的，偏振复用信号会通过该模块实现偏振解复用。载波相位频率估计是补偿相位偏移和频率偏移。之后便是对处理后的信号进行判决以及误码率的计算。DSP结构如图1.3，本文重点研究色散补偿模块。

图1.3 DSP结构

技术现状

色散补偿技术的发展现状

对于高速率，长距离，大容量的相干通信系统中，色散对于系统的性能限制十分明显。针对克服由于色散而造成的码间干扰，出现了很多种色散补偿技术。

（1）色散补偿光纤^[5]（DCF）。色散补偿光纤为负色散光纤，它可以加接在具有正色散斜率的普通单模光纤中，从而补偿光纤中的色散，保证整条光纤线路的总色散近似为零，补偿原理如图1.1。由于色散补偿光纤的色散值是个固定的常量，一经确定就很难更改，所以无法不能灵活补偿光纤中的色散。另外，接入色散补偿光纤增加了系统的插入损耗，需要在光纤链路中加接掺铒光纤放大器补偿损耗，使系统的成本增加。

（2）啁啾光栅。对于普通的单模光纤，在1550nm区域，处在反常色散区，低频分量传播的速度比高频分量慢。啁啾光栅是在光纤上制成的，光栅上的每一点都可以看作一个布拉格滤波器，对特定波长的光进行反射。当光信号到达啁啾光栅时，低频分量（长波长）的光在光栅前端反射，高频分量（短波长）在光栅末端反射，经光栅传输以后，在光栅前端反射的低频分量就会赶上在末端反射的高频分量，从而起到色散补偿的作用，图1.4展示了啁啾光栅补偿色散的原理。这种色散补偿方法可以对正负色散进行补偿，具有全光纤型，损耗低，体积小，重量轻，成本低和灵活方便等优点。但不足之处是布拉格中心波长随温度变化而变化。

图1.4 啁啾光栅色散补偿原理

（3）电子色散补偿法。相比于高速光通信中纯光学的补偿方法，电补偿方法更容易实现自适应地可协调补偿，无需在光纤链路中插入其他器件，减小光纤中的损耗。由于数字信号处理技术的高速发展，电子色散补偿法成为国内外相干通信领域的前沿课题。

偏振模色散补偿技术的发展现状

自从1986年主偏振态色散的概念被提出以来，国内外相干光通信领域对于偏振模色散的研究开始发展起来。研究的内容包括PMD产生的机理，如何测量，对系统的影响以及如何进行自适应补偿等。到了90年代，人们将对PMD的研究重点放在了PMD的测量以及补偿方法的研究。1997年，国际电工委员会提出了四种PMD的测量方法：分别是干涉法，波长扫描法，琼斯矩阵法以及主态法。在偏振模色散补偿方面，总共分为两大类补偿法：电域补偿法和光域补偿法。电域补偿法是将光信号经过光接收机后转化成电信号，在数字信号处理模块对信号进行补偿。光域补偿法是在光纤链路上加偏振控制器，保偏光纤等光学器件，对偏振模色散进行补偿。目前通过电域对偏振模色散补偿是热门的研究方向。针对存在多个模值的高阶QAM系统的偏振模色散，DN Godard使用了采用两级误差函数，改正了恒模算法的缺点，使得误差量趋向于零，有效的补偿了偏振模色散^[6]；I Fatadin采用的RLS CMA组合算法也可以有效的补偿偏振模色散^[7]。

FTN均衡技术发展现状

1949年，香农信道容量公式被提出，它表明在带宽受限的条件下，传输信号在不引起码间干扰的情况下，所能达到的最大码元速率是信道带宽的两倍，否则就会造成信号波形在频域被压缩，转换到时域后波形被展宽，引起码间干扰的现象。1975年Mazo提出了超奈奎斯特理论，但不可避免的引入了码间干扰，针对这一情况，S Sugiura提出了频域均衡用于均衡补偿FTN引起的码间干扰，实现了低复杂度下的FTN在频率选择性信道中传输^[8]。针对50Gb/s的信号在10GHZ的信号中传输，C. Ye采用MLSE均衡滤波器结合神经网络算法对信道中的码间干扰进行消除^[9]。在偏振复用相干光通信系统中，Jessica Fickers首先采用蝶形滤波器结合CMA算法对信号实现偏振解复用，然后通过根据最小均方误差设计的判决反馈均衡器对FTN信号进行补偿^[10]。

1.4 主要研究内容及章节安排

本文的主要内容是针对光纤中存在的色散，偏振模色散以及FTN，分别从它们产生的机理，对系统造成的影响以及补偿方案进行研究。具体的章节安排如下：

第1章简述选题的背景与意义，介绍了数字相干通信系统的原理，说明了色散，偏振模色散以及FTN补偿技术的发展现状。

第2章从色散的物理性质出发对色散传输函数进行理论推导。从时域和频域的角度给出了色散均衡的方法，最后选择重叠频域均衡方法，通过在Matlab中编写重叠频域均衡算法与VPI中搭建的系统图进行联合仿真，实现对色散的补偿。

以上是毕业论文大纲或资料介绍，该课题完整毕业论文、开题报告、任务书、程序设计、图纸设计等资料请添加微信获取，微信号：bysjorg。

相关图片展示：