光通信系统中光锁相环技术与调制格式的研究

发布时间：2020-11-05 15:39

　　 随着互联网业务的普及和快速发展,人们对数据流量的需求出现了持续增长,给通信系统容量带来了与日俱增的压力。作为数据网络的核心,以及各项通信业务的基础,光通信系统正在成为科学研究的焦点,并面临着巨大的挑战。在光通信系统中,相干检测是实现系统高灵敏度和带外噪声高抑制的最佳解决方案。与基于数字信号处理(DSP)的数字相干检测方案相比,光锁相环(OPLL)技术能够实时地对光载波进行相位恢复,并打破数字相干检测方案在器件造价、功率消耗上的瓶颈,具有时延小、成本低、功效高的优点,有着广阔的应用前景。此外,利用光载波的偏振分量和各偏振分量上的同相、正交分量,可以在相干光传输系统中构建四维(4D)信号空间,用于产生高频谱效率和高功率效率的调制格式,来提升相干光传输系统的性能。本论文围绕光通信系统中的OPLL技术和调制格式展开,由五部分的研究工作构成。这些研究工作的重要成果和创新点包括:1.对OPLL系统中环路参数设计和辅助捕获技术进行了研究。在理论层面,推导出了 OPLL的环路参数对其噪声性能影响的近似表达式,同时分析了环路参数对OPLL跟踪性能、自捕获性能的影响。这项工作为如何设计OPLL环路参数来实现高性能的OPLL系统提供了新的理论参考。理论研究表明,在OPLL系统中使用辅助捕获技术十分必要,辅助捕获技术能够显著提升OPLL系统的捕获性能,同时保持其噪声性能和跟踪性能不受损害。基于理论研究,设计、制作了结构简单但性能可靠的辅助捕获电路模块,同时在副载波OPLL系统中验证了该电路模块的有效性。实验结果显示,该电路模块成功实现了 2.4GHz捕获范围、2MHz精度的辅助捕获功能。2.对光压控振荡器(OVCO)进行了综合研究。通过分析科斯塔斯副载波OPLL系统对二进制相移键控(BPSK)信号的相干接收过程,在理论上创新地提出了评估OVCO性能的方法。在此基础上,讨论了使用马赫-曾德尔调制器(MZM)和相位调制器的两种OVCO实现方案。通过理论推导和实验验证,分别阐述了两种OVCO实现方案的特点,以及如何在实际操作中实现这两种OVCO方案的最佳性能。这项研究工作对实验室中的OVCO设计和可商用的集成OVCO器件设计具有指导意义。3.提出了一种新的理论,用于分析采样OPLL接收的相位调制光载无线(ROF)系统。在采样脉冲宽度不能忽略的情况下,该理论创新地实现了对采样OPLL系统稳定性的分析。该理论还给出了采样OPLL系统输出噪声基底和非线性失真的近似表达式。同时,理论研究结果的正确性在系统仿真中得到了验证。这项研究工作,为用于相位调制ROF系统的采样OPLL接收机的设计提供了理论框架。此外,在研究过程中还完成了采样OPLL系统实验,实验结果验证了使用采样方案实现光域降频的有效性。4.提出了脉冲型Sagnac环结构的相位调制ROF系统。与传统Sagnac环结构ROF系统相比,该系统采用光脉冲作为载波,通过给Sagnac环内的相位调制器加载与光脉冲同步的驱动信号,可将环内的相位偏移调整至90度,使得系统对RF信号的基频进行响应。基于理论分析,设计并搭建了验证实验系统,该系统在1GHz到10GHz频率上展现出较平坦的频率响应。在实验中创新地设计了平衡接收结构,平衡接收结构让系统输出噪声基底降低了约8dB,测得系统输出噪声基底为-164dBm/Hz,仅高于光电探测器的散粒噪声基底约4dB,实验测得系统的无杂散动态范围(SFDR)为104.8dB.Hz2/3。此外,为减小Sagnac环内相位调制器插入损耗的影响,创新地设计并制作了可双向放大的掺铒光纤放大器(EDFA),将该双向放大EDFA应用到实验系统后,测得系统的SFDR提升了 3.1dB。5.完成了对6偏振态-四相相移键控(6P-QPSK)调制格式的理论研究。讨论了 6P-QPSK调制格式的原理和比特到符号的映射规则,提出了如何在该映射规则下产生恒定幅度的6P-QPSK信号。此外,研究了基于IQ调制器(IQM)和双驱动MZM调制器(DD-MZM)的两种发射机,并分析了使用这两种发射机产生恒定幅度的6P-QPSK信号对驱动电压的要求。这项研究工作可为6P-QPSK实验提供理论参考。
【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
【部分图文】：

行业带来了一场革命。??在近半个世纪的时间里，历经多次技术革新，光通信系统的传输容量增加了??好几个量级，目前仍在不断的增长中。图１－１显示了从１９８６年到２０１８年的３２??年间，科研用光通信实验、商用光通信设备的单信道传输速率和总传输容量的发??展情况，可以看到单信道速率和传输总容量的巨大增长。截止目前，４００Ｇｂ／ｓ的??光通信传输模块己开始实现商用，各个厂商相继推出面向光学连接的４００Ｇ芯片??组，己有研究团队报道单信道传输速率高于ｌＴｂ／ｓ的光通信传输实验［１，２］。??１９８０?１９９０?２０００?２０１０?２０２０?２０２５??＿，?１?１?１?１?１?１?１?１?？??Ｃｈａｎｎｅｌ?ｒａｔｅｊ?２．５?Ｇｂ／ｓ?１０?Ｇｂ／ｓ?４０?Ｇｂ／ｓ?１００?Ｇｂ／ｓ?４００?Ｇｂ／ｓ?ｌＴＶｓ＞??Ｓｙｓｔｅｍ?ｔｙｐｅ：?Ｓｉｎｇｌｅ－ｓｐａｎ?Ｍｕｌｔｉ－ｓｐａｎ?（ＥＤＦＡｓ）?Ｏｐｔｉｃａｌｌｙ?ｒｏｕｔｅｄ?ｎｅｔｗｏｒｋｓ?ＳＤＯＮ?？??１９８６?１９９０?１９９４?１９９８?２００２?２００６?２０１０?２０１４?２０１８?２０２０?２０２５??图１－１研究用、商用光通信系统的单信道速率和传输容量发展记录图??在光通信技术发展初期，系统主要釆用的是幅度调制／直接检测ＩＭ／ＤＤ??（Ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ?Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ／Ｄｉｒｅｃｔ?Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ）的传输方案。在１９８７年就己经生产丨丨丨单??信道速率为１．７Ｇｂ／ｓ，传输距离达５０ｋｍ的商用光通信模块。为了满足人们对传??输容量的需求

振光信号的相位紧紧跟随上接收光信号的相位，在光域实时地实复。模拟相干接收方案的实质是实时地完成对同步损伤的补偿。相接收方案，基于ＯＰＬＬ技术的模拟相干接收方案，在系统体积、有明显的优势［１１？。这种接收方案的缺点是不能实现对光纤传输传输信号是宽带信号时，系统的性能会因为长距离光纤传输损伤在一些对灵敏度有高要求，又无法使用光中继，同时对系统的杂度有严格限制的宽带信号光传输系统，如星空间的光通信系统收方案也是不错的选择。此外，在ＷＤＭ系统中，ＯＰＬＬ技术可以频率间隔的子信道［１３］。在相位调制光载无线ＲＯＦ?（Ｒａｄｉｏ?Ｏｖｅｒ?ＨｂＯＰＬＬ技术能够缓解相位解调过程中产生的非线性，大大提升ＲＯ范围性能１１４］。??文研究内容和结构安排??论文由五部分研究工作构成，共分为八个章节，图１－３显示了论文

副载波ＯＰＬＬ方案作为ＯＰＬＬ技术的重要分支，副载波ＯＰＬＬ系统的核心??组成部分是光压控振荡器ＯＶＣＯ。ＯＶＣＯ由射频压控振荡器（ＲＦ－ＶＣＯ）、驱动??器、外调制器和激光器构成，其原理图如图２－２所示。??七⑴??丄??ＯＶＣＯ??ＲＦ－ＶＣＯ??－）?Ｄｒｉｖｅｒ?Ｅ?－－－－－＞????—ｉ—?Ｏ?—＞???Ｅｍ（ｔ）??＾???Ｌａｓｅｒ??＾?Ｍｏｄｕｌａｔｏｒ??＞ＥＬ〇（ｔ）??图２－２?ＯＶＣＯ的原理图??在ＯＶＣＯ中，ＲＦ－ＶＣＯ的输出频率％受电压ｆ／ｃ（／）控制。??＾ｖｃｏ?—?＾－ｏ＾ｃ?（０?（２－１）??其中，呌是ＲＦ－ＶＣＯ的输出中心频率，尺。（ｒａｄ／ｓ．Ｖ）是ＲＦ－ＶＣＯ的调节系数。??ＲＦ－ＶＣＯ的输出信号经过驱动器放大后，在调制器中对光载波进行调制，此时调??制器的归一化传输函数ｒ是：??ｍ＝ｃｏ??Ｔ＝Ｈ?ａｎ＞?＾ｐ（ｊｍ＾ｙｃｏ〇?（２－２）??＂７＝—〇０??１０??
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本文编号：2871841