弹性光网络参数辨识及偏振损伤均衡技术研究

发布时间：2020-10-25 06:09

　　 为满足全球数据流量指数级增长的传输需求,下一代400Gb/s或lTb/s高速光纤通信系统将利用弹性收发机及相干接收端强大的数字信号处理(Digital Signal Processing,DSP)技术,进行带宽、子载波数量及调制格式等参数灵活可调的自适应光传输,并实现带宽资源的灵活调配。因此,下一代高速光纤通信系统将朝着数字化、软件化、动态可重构的弹性光网络(Elastic Optical Network,EON)方向演进。作为保障EON稳定运行的必备条件,参数辨识及偏振损伤均衡技术是EON系统可靠传输领域中两项重要的研究内容。对于EON而言,由于弹性发射机的参数一直随光纤传输距离、信道噪声特性及用户流量变化等因素进行动态调整,在EON相干接收端利用DSP算法进行重要参数的智能辨识,是进行EON光性能监测及信号正确接收的前提和基础。此外,为达到较高的频谱效率,EON系统均采用偏振复用(Polarization Division Multiplexing,PDM)技术,极易受到源自EON系统及光纤传输过程中各种偏振损伤的严重影响。因此,利用DSP算法进行偏振损伤的联合均衡也是EON系统相干接收中非常关键的环节。综上,进行EON系统的参数辨识及偏振损伤联合均衡研究,对于保障下一代高速光纤通信骨干网的可靠运行,并早口实现EON系统的应用和普及具有重要的理论和实践意义。本论文紧紧围绕EON系统参数辨识和偏振损伤均衡两大主题,主要开展了 EON参数智能辨识、偏振损伤联合均衡和EON光发射机预均衡等研究工作,主要内容及创新点为:(1)EON带宽参数及子载波调制格式的智能辨识研究本论文提出了一种新的基于正交频分复用的弹性光网络(Orthogonal Frequency Division Multiplexing EON,OFDM-EON)智能带宽识别方案。该方案可分为3个阶段进行:功率谱密度(Power Spectrum Density,PSD)估计、基于经验模式分解(Empirical Mode Decomposition,EMD)的自适应噪声滤波及基于滑动窗口的带宽识别,它能够自适应地滤除噪声并智能地寻找到带宽的起始和终止位置。仿真及实验结果表明:这种方法可成功识别2GHz到40GHz范围内的EON带宽,分辨率为39MHz,可足够精确区分出Gbit/s量级的带宽可变发射机;在几乎相同的识别精度下,本方案的采样点数仅为基于循环平稳特性方法的1/16;此外,所提方案对于色度色散(Chromatic Dispersion,CD)具有良好的容忍度,子载波数量和频偏均不会影响带宽识别精度。同时,针对OFDM-EON的子载波调制格式识别问题,本文提出了一种基于BPSK训练符号的调制格式识别方案。研究结果表明:这种方案在OSNR高于15dB时可实现对所有子载波调制格式的正确识别,具有对OSNR容忍度高、识别成功率高的特点。(2)基于扩展卡尔曼滤波器(Extended Kalman Filter,EKF)的两阶段偏振损伤联合均衡研究本论文提出了一种新的基于EKF的两阶段偏振损伤联合均衡方案。该方案通过在弹性接收机的DSP数字域构建两阶段补偿矩阵,充分利用EKF快速收敛的特点,逐符号进行补偿矩阵中未知参数的估计,可实现对快速偏振态旋转(Rotation of State of Polarization,RSOP)、一阶偏振模色散(Polarization Mode Dispersion,PMD)和二阶PMD(Second-order PMD,SOPMD)的联合均衡,克服了传统恒模算法(Constant Modulus Algorithm,CMA)及多模算法(Multiple Modulus Algorithm,MMA)在快速RSOP下无法进行偏振损伤均衡的缺陷。经PDM-QPSK及PDM-16QAM EON接收信号的偏振均衡实验,结果表明:该方案可追踪的最快RSOP分别约为120Mrad/s和110Mrad/s,这一能力分别是CMA的35倍以及CMA/MMA的50倍;它具有良好的RSOP跟踪、一阶PMD和SOPMD补偿的联合均衡性能,获得了比CMA/MMA更高的Q因子和更好的均衡效果;该方案的收敛速度约为50个符号(等价于5ns),这一速度远快于CMA/MMA;对这2种调制格式,本方案每符号的计算复杂度分别仅为CMA的44%,以及CMA/MMA的31%左右。(3)支持任意调制格式的EON光发射机预均衡研究针对支持任意调制格式的EON光发射机存在的输出信号畸变问题,本论文详细进行了 EON光发射机的DSP预均衡研究,提出了射频线缆及模数转换器(Digital-to-Analog Converter,DAC)的频率响应预补偿、IQ通道的时延(skew)校准、马赫增德尔调制器(Mach-Zehnder Modulator,MZM)的非线性调制预补偿方案,并进行了相应实验验证,得到了高质量的EON光发射信号。实验结果表明:进行发射机DSP预均衡后,IQ通道间的skew值可降至飞秒量级,Q因子整体提高了接近2dB,发射信号的星座点排列更加均匀。
【学位单位】：北京邮电大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TN929.1
【文章目录】：
摘要
ABSTRACT
第一章 绪论
    1.1 全球数据流量需求及变化趋势
    1.2 光通信传输系统的发展历程与趋势
        1.2.1 光通信传输系统的发展历程
        1.2.2 光通信传输网络的发展趋势
    1.3 EON系统的基本概念及关键技术
        1.3.1 EON的基本概念
        1.3.2 EON的研究现状及关键技术
    1.4 选题意义及国内外研究现状
        1.4.1 EON参数辨识的意义及研究现状
        1.4.2 EON偏振损伤均衡的意义及研究现状
    1.5 论文的研究内容与章节安排
    参考文献
第二章 数字相干光通信系统
    2.1 相干光传输系统
    2.2 单载波PDM-EON光发射机及DSP预均衡
        2.2.1 RF信号产生单元
        2.2.2 光路单元
    2.3 OFDM-EON发射机
        2.3.1 OFDM调制的基本原理
        2.3.2 OFDM-EON的发射机结构
    2.4 光纤信道传输模型
    2.5 光纤信道损伤
        2.5.1 损耗及OSNR
        2.5.2 色度色散
        2.5.3 非线性效应
    2.6 PDM-EON信号的相干接收
        2.6.1 相干光接收前端
        2.6.2 DSP处理单元
    2.7 本章小结
    参考文献
第三章 偏振效应及相干接收DSP均衡研究
    3.1 偏振效应
        3.1.1 偏振光的数学表示
        3.1.2 RSOP的数学模型
        3.1.3 偏振控制器模型
        3.1.4 偏振相关损耗
        3.1.5 偏振模色散
    3.2 单载波EON系统的相干接收DSP均衡研究
        3.2.1 正交化与归一化
        3.2.2 色度色散补偿
        3.2.3 Kerr非线性效应补偿
        3.2.4 偏振解复用
        3.2.5 载波频偏估计
        3.2.6 载波相位恢复
        3.2.7 实验验证
    3.3 OFDM-EON系统的相干接收DSP均衡研究
        3.3.1 符号同步及频偏估计
        3.3.2 偏振解复用
        3.3.3 信道均衡及子载波相位恢复
        3.3.4 仿真验证
    3.4 本章小结
    参考文献
第四章 EON参数智能辨识研究
    4.1 研究背景
    4.2 OFDM-EON带宽识别方案原理
        4.2.1 功率谱估计
        4.2.2 基于EMD的自适应噪声滤波
        4.2.3 基于滑动窗口的带宽识别
        4.2.4 滑动窗口法的各参数影响
    4.3 带宽识别的仿真及实验验证
        4.3.1 仿真识别结果
        4.3.2 CD、子载波数量及频偏对所提方案的影响分析
        4.3.3 实验验证
    4.4 OFDM-EON的子载波调制格式识别初步研究
        4.4.1 调制格式识别原理
        4.4.2 仿真验证
    4.5 本章小结
    参考文献
第五章 EON偏振损伤联合均衡研究
    5.1 研究背景
    5.2 EKF参数估计原理
    5.3 基于EKF的两阶段偏振损伤联合均衡
        5.3.1 两阶段偏振损伤联合均衡原理
        5.3.2 基于EKF的参数估计
    5.4 实验验证
        5.4.1 EKF参数优化
        5.4.2 RSOP跟踪性能
        5.4.3 PMD补偿性能
        5.4.4 RSOP跟踪、一阶PMD和SOPMD补偿的联合均衡
    5.5 收敛速度和计算复杂度
        5.5.1 收敛速度分析
        5.5.2 计算复杂度分析
    5.6 本章小结
    参考文献
第六章 总结与展望
    6.1 工作总结
    6.2 未来展望
缩略词
致谢
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本文编号：2855582