基于格基规约的模分复用系统信号均衡技术研究

发布时间：2020-07-20 10:02

【摘要】：随着互联网业务的广泛普及,全球数据流量需求呈爆发式增长,使得单模光纤通信系统容量越来越趋近非线性香农极限。基于少模光纤的模分复用技术利用少模光纤中相互正交的模式作为独立信道进行信息传输,从而成倍提升光纤系统容量。然而,在实际的少模光纤中存在着模式耦合、差分模群时延和模式相关损耗等特有损伤,这些特有损伤使信号在模分复用系统中的传输存在着信道串扰和码间干扰,严重影响模分复用系统性能。其中,模式耦合和差分模群时延可以通过传统的信号均衡技术实现损伤补偿。然而,模式相关损耗将直接劣化信道矩阵的正交性,特别是在长距离模分复用系统中,模式相关损耗较大,造成信道矩阵正交性严重劣化。此时,传统均衡技术的损伤补偿效果急剧下降,限制系统的传输容量和传输距离。因此,寻求一种新的信号均衡技术实现模式相关损耗存在条件下模分复用系统的损伤补偿,是实现长距离光纤系统传输的关键问题之一。围绕上述问题,本文首先综合考虑少模光纤中的特有损伤,搭建少模光纤模分复用仿真系统。随后,探究模式相关损耗的损伤特性,分析模式相关损耗对传输矩阵正交性的影响,验证传统的信号均衡算法难以实现模式相关损耗存在条件下模分复用系统的信号损伤补偿。最后,提出了基于格基规约的模式相关损耗存在条件下模分复用系统信号均衡技术,用于实现信号的损伤补偿,取得了较好的效果。本文的具体工作如下:首先,对少模光纤的基本概念进行介绍,验证了少模光纤模式的正交性,探究了少模光纤中的主要传输损伤的产生机理以及对传输信号的影响,包括:模式耦合、差分模群时延和模式相关损耗。其次,根据矩阵传输模型,对模分复用仿真系统进行建模。在此基础上,通过VPI仿真平台,联合Matlab编程软件,搭建6×6双偏振模分复用仿真系统。通过估计信道脉冲冲激响应,验证仿真系统的正确性。再次,对模式相关损耗的损伤特性进行分析,验证模式相关损耗的大小随耦合强度和传输距离的变化关系。研究了频域最小均方算法、频域多模盲均衡算法和最小均方误差算法对模式相关损耗存在条件下模分复用系统的信号损伤补偿能力,对比了三者均衡后输出信号的误码性能随模式相关损耗的变化情况。仿真结果表明,随着传输距离的增加,模式相关损耗不断增大,此时传统信号均衡算法难以实现模分复用系统的信号损伤补偿。最后,提出了基于格基规约的模式相关损耗存在条件下模分复用系统信号均衡技术。对格基规约和基于格基规约的信号均衡算法的原理进行介绍,通过仿真对该算法性能进行验证,对比了格基规约前后信道矩阵的条件数,验证了格基规约对信道矩阵正交性的规约能力。在系统传输距离变化的情况下,研究了基于格基规约的信号均衡算法的解复用性能,证明了该算法可以有效实现模式相关损耗存在条件下的信号损伤补偿,且算法复杂度低,易于实现。
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN929.11
【图文】：

光纤通信技术,扩容技术

过去的近 40 年，不断涌现的各种扩容技术使光纤通信不断变容量急剧增长。如图 1.1 所示[2]，从上世纪 80 年代至今，低损导体激光器的出现以及与时分复用（Time Division Multiplexin结合，掺铒光纤放大器[4]（Erbium-doped Optical FiberAmplifie及与波分复用[5]（Wavelength Division Multiplexing，WDM）相干通信技术的应用以及偏振复用[6]技术的出现，光纤通信经变革，这些不断涌现的扩容技术使得通信系统容量以每年近 1升，从 100Mb/s 提升到 100Tb/s。然而，随着波分复用系统中加和高阶调制格式的使用，单模光纤受到了光纤非线性的影响接效果的影响和光放大器带宽的限制，造成单模光纤系统容量香农极限[7,8]，目前单模光纤通信系统正在逐渐逼近这个理论究证明[8,9]，单模光纤系统容量的香农极限正是 100Tb/s，这将危机”即将出现。为了满足带宽需求的爆发式增长，应对这场索一种新的扩容技术势在必行。

扩容技术,光纤通信系统,复用技术,单模光纤

图 1.2 光纤通信系统复用技术在过去的数十年里，多种扩容技术的应用和发展，使得目前单模光纤中的时间、频率、偏振、幅度和相位等多个自由度已被开发并充分利用，如图 1.2 所示。然而，面对着爆炸式增长的带宽需求，进一步提高光纤通信系统容量迫在眉睫。通过借鉴无线通信中的多输入多输出（Multiple-Input Multiple-Output，MIMO）技术，研发人员得知光纤系统中还有空间这个自由度未被全面开发，由此基于空间这个自由度的空分复用（Space Division Multiplexing，SDM）技术应运而生[10-12]。目前，可以用于空分复用光纤通信技术的光纤主要有两类：多芯光纤[13]（MulticoreFiber，MCF）和少模光纤（Few Mode Fiber，FMF）或者多模光纤[14]（MultimodeFiber，MMF），其中少模光纤因其较小的非线性效应和低损耗、低色散等优点，近年来得到了广泛的关注。因此，基于少模光纤的模分复用（Mode DivisionMultiplexing，MDM）技术成为了目前通信领域一大研究热点技术[15,16]。基于少模光纤的模分复用技术采用少模光纤中稳定且相互正交的模式作为独立信道传输信息，由于少模光纤“完美的正交性”，使得系统容量得以成倍提

示意图,折射率分布,少模光纤,示意图

···················· （2.2）（a）阶跃型少模光纤（b）渐变型少模光纤图 2.1 折射率分布示意图2.1.2 少模光纤模式光纤中的模式是指在光纤特定的几何模型和折射率分布下电磁场在光纤内部的一种空间分布形式，因此它必然满足一切电磁现象最基本的规律，即Maxwell 方程[53]。下面我们将对少模光纤的模式进行求解，Maxwell 方程组的微分表达式如下：

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