数字信号处理技术及其在先进光通信中的应用研究

发布时间：2020-08-23 20:01

【摘要】：近年来,随着互联网,高清电视,大数据和云计算等新兴带宽消耗型业务的快速发展,所产生的数据流量每年以指数级快速增长,并且可预见的未来这种增长趋势将继续持续。为了满足日益增长的容量需求,过去四十年种单根光纤的传输容量以每四年增长十倍的速度增长,然而在下一个十年内商用光纤通信系统的通信容量即将到达非线性香农极限。为了应对即将到来的容量危机,需要开发光波的空间维度来实现通信容量的可持续增长。另一方面,随着光纤通信系统继续向更高速率、更大容量演进,所采用的波特率将会越来越大,调制格式将会越来越复杂,复用信道将会越来越多。如果通信网络信息交换节点继续采用传统的光-电-光技术,未来势必会成为光纤通信系统的瓶颈。因此,以基于空分复用(SDM:space-division multiplexing)的先进光传输和基于全光信号处理先进光处理技术为代表的先进光通信具有巨大的应用潜力和研究价值。高级调制格式、相干探测和DSP技术是现代光通信主要采用的实现方案。通过将DSP与先进光通信有机融合,可以用来解决一些光通信系统中的关键问题。本文通过利用DSP技术以及现有通信光电子器件,从基于SDM的先进光传输和基于全光信号处理两个方面开展了一系列理论和实验研究,具体内容如下:(1)理论和实验研究了两个轨道角动量(OAM:orbital angular momentum)模式(OAM_(+1)和OAM_(-1))在长距离少模光纤(FMF:few-mode fiber)中的传输特性。为了研究模群内部差分模式时延(DMD:differential modal delay)和模式串扰对长距离光纤链路传输性能的影响,实验比较了不同波特率(1-Gbaud,2-Gbaud,5-Gbaud和10-Gbaud)下的OAM模式传输的性能。评估了基于低密度奇偶校验码(LDPC:low-density parity-check code)的单路OAM模式在50 km FMF中传输的系统误码率(BER:bit error rate)性能,对于1-Gbud,2-Gbaud和5-Gbaud的正交相移键控(QPSK:quadrature phase shift keying)信号,其编码增益分别大于4 dB,8 dB和14 dB。LDPC编码的引入可以减轻模群内部DMD和模式串扰对OAM模式在长距离光纤链路传输性能的影响。为了验证和比较DMD在长距离光纤传输中的影响,还进行了OAM模式在10 km FMF的传输作为对比实验。从理论仿真和实验结果中可以得出模群内部的模式时延和模式串扰是限制长距离OAM光纤传输主要因素的结论。此外我们还进行了基于LDPC的1-Gbaud QPSK信号在50 km FMF中的复用通信实验。(2)实验研究了多输入多输出数字信号处理算法(MIMO-DSP:multiple-input multiple-output digital signal processing)在SDM系统中的应用:(1)研究了自由空间OAM小数阶模式复用通信,通过结合MIMO均衡算法与LDPC编码技术,实验实现了10-Gbaud的QPSK/16-QAM信号下四种小数阶间隔下(0.6,0.4,0.2和0.1)的2个OAM模式的复用通信。实验结果表明随着小数间隔越小时,小数阶OAM模式串扰随之增加。MIMO均衡算法和LDPC码引入可以增加系统的可靠性,使BER曲线可以达到7%前向纠错编码(FEC:forward error correction)判决门限以下,并成功实现最小小数间隔为0.1的密集模式复用通信。(2)设计并实验研究了一种具有更低计算复杂度的基于传统多模光纤的OAM模式复用通信方案。从理论仿真和实验结果中可以得出传统多模光纤模群内部模式有效折射率差较小,但模群之间具有大有效折射率差的特性,因此可以用部分MIMO-DSP(2?2或4?4 MIMO-DSP)代替传统的完整MIMO-DSP(6?6 MIMO-DSP)来对模群内部的串扰进行均衡。实验实现了基于2?2和4?4 MIMO-DSP的6个OAM模式在8.8 km OM4多模光纤(MMF:multi-mode fiber)中的复用传输,每个模式携带10-Gbaud QPSK信号,总传输容量为120Gbit/s。此外还进行了无MIMO-DSP的OAM模群间的无干扰复用传输,其中两个OAM模式分别来自不同模群。这些实验结果展示了基于传统多模光纤的OAM模式复用传输的可行性。(3)实验研究了数字信号处理技术在光通信中的其他相关应用。(1)提出了新型模分复用和时分复用无源光网络(MDM-TDM-PON:mode-division multiplexing time-division multiplexing passive optical network)系统,并于1.1 km FMF上进行上行和下行链路的复用通信,其中2.5-Gbaud的四级脉冲幅度调制(PAM-4:4-level pulse amplitude modulation)信号作为下行信号,2-Gbaud的开关键控(OOK:on-off keying)信号作为上行信号。下行链路和上行链路在BER为2e-3的增强FEC(EFEC:enhanced FEC)门限下的OSNR代价分别小于2 dB和3 dB。实验结果表明将光纤中的OAM复用通信与其他复用技术例如TDM与PON系统的结合可以提高PON系统容量,从而支持更多终端用户。(2)设计并实现了一种可以根据接收到的信息自适应调节的基于OAM模式的水-空-水的信息传输系统。为了解决水位的变化会导致的跨空水界面光通信中光束发生偏移从而造成光信号接收对准问题,实验中使用了一种可以根据接收到的OAM光束的强度分布自适应反馈的反射装置来实现光束的重新对准。为了验证跨空水界面的数据信息传输性能,传输了离散多音调制信号(DMT:discrete multi-tone modulation),其系统容量为1.08 Gbit/s,并比较不同水面相对高度(25 mm/-10 mm)下无反馈装置与有反馈装置下的系统BER性能曲线,水面相对高度为25 mm和-10mm下带有反馈装置的系统相比无反馈装置的系统相比在7%FEC门限下的功率代价分别改善了2.5 dB和1 dB。实验结果显示了所设计的反馈装置的有效性。(3)实验实现了基于硅基波导的非简并四波混频效应(ND-FWM:non-degenerate four-wave mixing)的两输入八进制光计算(A+B,A-B,B-A,-A,-B,2A和2B),信号调制格式为8PSK,实验测量了两输入八进制光计算的符号序列,星座图和BER性能。
【学位授予单位】：华中科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN929.1;TN911.7
【图文】：

共享单车，可穿戴智能设备，网络社交，视频直播，虚拟现实和自动驾驶等。然而，这类新兴带宽消耗型业务所产生的数据流量每年以指数级快速增长，并驱动光纤通信网络容量不断增长。如图1-1所示，根据思科公司对2016年到2021年全球互联网流量的预测，复合年流量增长率（CAGR：compoundannualgrowthrate）达24%，2021年全球互联网流量将到达3.3泽字节（ZB：zettabyte，1 ZB等于1021字节），相比2016年总流量增长接近3倍，而相比2005年增长接近127倍[1]。在大容量需求的推动以及我国政府提出的建设网络强国、宽带中国、提速降费大背景下，我国三大运营商加快了通信网络的建设与升级

目前已大规模部署商用单通道100Gbit/s相干光传输系统使用偏振复用正交相移键控（PDM-QPSK：polarization division multiplexingquadrature phase shift keying）。图1-2展示了近年来光通信顶级会议上报道的大容量，高频谱效率的光通信系统。图1-2 近年来光通信顶级会议上报道的大容量、高频谱效率的光通信系统结果从图1-2中展示的大容量，高频谱效率的光通信系统结果中可以看出，调制格式从起初的QPSK开始向更高阶调制如64-QAM演进，更先进更复杂的调制格式如正交频分复用（OFDM：OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing）和奈奎斯特（Nyquist）信号与偏振复用（PDM：polarization-divisionmultiplexing）和WDM的结合而组成的高速光通信系统正成为近年来的研究热点，频谱效率不断提升，且单波长光传输网的传输容量正从100 Gbit/s向400 Gbit/s甚至1 Tbit/s演进。因此，未来持续提升通信系统容量

云计算，人工智能等新兴业务的迅速崛起，带来海量的数和处理。为了满足日益增长的容量需求，现有光通信网络容量持续通信网络的发展离不开两大关键技术的支撑：高速光传输技术和全为了实现高速光传输系统的可持续扩容，基于光波幅度、相位、频间维度的复用技术已被充分利用[34-40]，光波目前唯一未被充分开发的就只剩下光波的横向空间分布，即空间维度资源近年来备受研究光网络中网络信息交换节点为信息处理以及计算机的运算性能提为了改善传统光-电-光（O-E-O）信息交换方式带来的处理速度，设等瓶颈问题，全光信号处理技术开始成为高速大容量光通信系统的于空分复用的先进光传输系统和基于全光信号处理先进光处理系光通信的研究内容。于空分复用的先进光传输系统

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本文编号：2801960