少模光纤模式复用系统解复用算法研究

发布时间：2017-04-27 12:14

  本文关键词：少模光纤模式复用系统解复用算法研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：随着信息化时代的飞速发展，在高清视频、云文件存储、云计算、移动互联网和其他信息技术的刺激下，，全球数据流量正以每年超过50%的速度增长，这对作为互联网传输骨干的长距离光纤传输网络提出了更高的容量要求。然而，随着现行WDM系统信道数目和信号调制阶数的升高，单根光纤内传输的信号功率日益增大，这加剧了单模光纤内固有的非线性效应和光纤放大器的ASE噪声，从而使单模光纤通信系统的容量逐渐达到信息论上的极限，寻找一种有效的系统扩容方式也成为光纤通信领域亟待解决的一个难题。 在这种背景下，作为一种具有巨大应用潜力的系统扩容方式，模式复用技术引起了国内外研究者的高度关注。通过利用模式这一新的自由度，结合适用于长距离信号传输的少模光纤，模式复用技术可以使现有的光纤传输系统容量成倍提升。然而，由于在少模光纤中存在色度色散（CD）、模式耦合（MC）、模式群时延（MGD）等损伤，它们之间的相互影响使模式复用系统的信道状况复杂化，导致接收端的解复用难度大幅度上升，成为少模光纤模式复用技术中一个关键性的难题。因此，本文的主要研究目标是通过对少模光纤信道特性的理论分析，开发一种有效且具有更低复杂度的模式解复用DSP算法。 围绕上述中心目标，本文首先简要介绍了少模光纤的概念和少模光纤中的传输模式，分析了少模光纤中的主要串扰来源——模式耦合和模式群时延对模式复用信号的具体影响，并在以上理论基础上建立少模光纤链路的数学模型。随后，分别对用于模式解复用的时域和频域LMS算法进行了研究，对比了两者的算法复杂度和解复用效果。最后，提出将频域ICA算法用于模式解复用，具体介绍了F-ICA算法的模式解复用流程。在不同信噪比和模式耦合强度条件下验证了F-ICA算法的解复用性能，并将其算法复杂度与F-LMS算法做出对比分析。相关的具体工作如下： 首先，对长距离模式复用系统的传输媒质——少模光纤的模式传输特性进行了介绍和理论推导。从光波导学角度证明了光纤中模式之间的独立性，明确了模式复用的合理性和可实现性。深入研究了少模光纤中两种最重要的传输损伤：模式耦合和模式群时延对模式复用信号的影响。 其次，在色度色散、模式耦合和模式群时延等因素存在的条件下，对双模光纤中的两个非简并模式（LP01和LP11模）进行了建模理论的分析。在理论基础上，通过Mode Solver计算少模光纤参数，利用VPI仿真平台，结合Matlab软件编程，构建了双模光纤传输链路的仿真模型。介绍了模式复用系统的基本原理和结构，并应用建成的双模光纤链路模型在VPI平台内搭建了22少模光纤模式复用仿真系统。 再次，对模式解复用中常用的时域和频域LMS算法原理进行了介绍，分别分析了这两类算法的计算复杂度与模式复用系统中模式数目和差分模式时延长度的数学关系。利用上述两种算法进行模式解复用仿真实验，通过输出信号的星座图和眼图观察了两种算法的解复用效果，在光纤中信噪比变化的情况下对比了二者的误码性能。 最后，提出将频域ICA算法用于模式解复用。详细介绍了F-ICA算法的模型和分离原理，利用所开发的F-ICA算法在仿真系统内实现模式解复用。通过解复用后信号的星座图和眼图验证了F-ICA算法的解复用效果。在耦合系数、数据长度等参数变化的情况下观察了F-ICA解复用后信号的误码率，证明了算法的稳定性。将其误码性能和算法复杂度与上一章中的F-LMS算法进行对比，结果证明了F-ICA算法在误码性能同等的情况下，具有复杂度上的优势。
【关键词】：光纤通信 模式复用 少模光纤 模式解复用 频域独立成分分析
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TN929.11
【目录】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-11
• 第1章 绪论11-17
• 1.1 论文的研究背景及意义11-13
• 1.2 国内外研究现状13-15
• 1.3 本文的主要内容和结构15-17
• 第2章 少模光纤与模式复用系统17-37
• 2.1 少模光纤传输特性17-26
• 2.1.1 少模光纤基本概念17-18
• 2.1.2 少模光纤中模式的传播18-23
• 2.1.3 少模光纤中模式的正交性23-26
• 2.2 少模光纤模式复用系统中的损伤26-29
• 2.2.1 少模光纤中的模式随机耦合26-27
• 2.2.2 少模光纤中的模式群时延27-29
• 2.3 少模光纤模式复用系统传输模型29-35
• 2.3.1 模式复用系统简介29-30
• 2.3.2 少模光纤传输链路建模理论30-32
• 2.3.3 少模光纤模式复用系统仿真模型建立32-35
• 2.4 本章小结35-37
• 第3章 模式解复用时频域 LMS 算法对比研究37-45
• 3.1 模式复用信号的时域 LMS 均衡37-39
• 3.1.1 时域 LMS 均衡算法原理介绍37-39
• 3.1.2 算法复杂度分析39
• 3.2 模式复用信号的频域 LMS 均衡39-41
• 3.2.1 频域 LMS 均衡算法原理介绍39-40
• 3.2.2 算法复杂度分析40-41
• 3.3 时频域 LMS 算法性能对比分析41-44
• 3.3.1 解复用效果对比41-44
• 3.3.2 误码性能分析44
• 3.4 本章小结44-45
• 第4章 基于频域独立成分分析算法的模式解复用45-65
• 4.1 ICA 算法简介和频域 ICA45-47
• 4.1.1 ICA 算法介绍45-46
• 4.1.2 频域 ICA46-47
• 4.2 频域 ICA 算法中的信号预处理47-49
• 4.2.1 短时傅里叶变换47-48
• 4.2.2 信号的中心化与白化48-49
• 4.3 频域 ICA 算法的约束条件49-51
• 4.4 频域 ICA 算法的分离判据51-55
• 4.4.1 最大化非高斯性51-53
• 4.4.2 最小化互信息53-54
• 4.4.3 极大似然估计54-55
• 4.5 频域 ICA 算法的不确定性55-56
• 4.5.1 频域 ICA 的幅度不确定问题55-56
• 4.5.2 频域 ICA 的顺序不确定性56
• 4.6 用于模式解复用的频域 ICA 算法56-59
• 4.7 频域 ICA 算法解复用效果与性能分析59-61
• 4.8 F-ICA 与 F-LMS 算法性能对比分析61-63
• 4.8.1 误码性能分析61-62
• 4.8.2 算法复杂度分析62-63
• 4.9 本章小结63-65
• 第5章 总结与展望65-69
• 5.1 总结65-66
• 5.2 展望66-69
• 参考文献69-75
• 作者简介及在攻读硕士期间取得的科研成果75-76
• 致谢76

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前4条

1 谢意维;付松年;张海亮;唐明;沈平;刘德明;;少模光纤模式差分群时延的设计与优化[J];光学学报;2013年09期

2 刘俊彦;张杰;韩佳巍;高冠军;赵永利;顾畹仪;;Design and optimization of weakly-coupled few-mode fiber with low nonlinearity[J];Chinese Optics Letters;2014年03期

3 杨竹青,李勇,胡德文;独立成分分析方法综述[J];自动化学报;2002年05期

4 姚殊畅;付松年;张敏明;唐明;沈平;刘德明;;基于少模光纤的模分复用系统多输入多输出均衡与解调[J];物理学报;2013年14期

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本文编号：330606