超奈奎斯特速率光传输系统的时频域压缩调制与接收处理技术研究

发布时间：2020-11-12 23:18

　　 随着全球经济的高度融合与协作发展,通信成为人类社会的基础需求,由此带来通信容量的持续增长,不断给光纤传输提出了更高的要求与挑战。随着掺铒光纤放大器、数字相干接收机、波分复用技术相继应用于商业通信系统,单模光纤通信窗口的频谱资源日益匮乏,进一步提升单模光纤的通信容量遭遇瓶颈问题。利用先进的高谱效调制格式,对频谱资源进行精细利用成为光通信发展的重要方向。其中,高阶调制格式能够迅速提升传输容量,但对信噪比需求的急剧增加制约着其在长距光纤传输中的发展;另外,以Nyquist-WDM为代表的高谱效传输技术受到业界广泛关注,但正交传输准则限制了传输容量的进一步提升。超奈奎斯特速率传输技术通过打破正交传输限制,利用数字信号处理的计算能力补偿码间干扰等信道效应,换取传输容量的继续增长。但当前超奈奎斯特速率光传输技术仍处于探索阶段,信号压缩调制技术单一,对时域压缩技术和时频域联合压缩技术缺乏探索研究,压缩效率较低,频谱利用率提升有限;同时,码间干扰补偿算法的复杂度高、容限低,严重的码间干扰还降低了系统对其它信道效应的补偿能力。本论文针对上述问题,探索了多种新型超奈奎斯特压缩调制技术以及低复杂度的强码间干扰补偿机制,利用QPSK信号实现了最高11.2bit/s/Hz的频谱利用率,取得了一些较为领先的创新性研究成果。论文的主要创新点和工作包括以下几个方面:针对光网络传输容量需求急剧增长,光纤频谱资源日益紧张的问题,在光通信中首次实现超奈奎斯特时域压缩调制,提出一种基于单载波的超奈奎斯特时分复用方案以及线性时域多输入多输出(MIMO)接收方案。实验验证了 2路20Gbit/s RZ-QPSK超奈奎斯特时分复用系统,以ldB的Q因子代价实现了传输容量一倍的增长。此外,提出基于DFTS-OFDM的超奈奎斯特波分复用方案,利用DFT Spread技术,进一步提升OFDM的频谱利用率。仿真结果表明,结合Duobinary滤波器在1×10-2误码门限将20GHz信道间隔的128Gbit/s QPSK-OFDM的OSNR代价降低1.5dB,实现6.4bit/s/Hz的频谱利用率。针对超奈奎斯特单维复用系统进一步提升频谱利用率遭遇瓶颈的问题,提出更加简单、高效的超奈奎斯特时域混叠复用系统,并与频域压缩联合使用形成超奈奎斯特时频二维复用系统,实现了频谱利用率的成倍提升。仿真结果表明,224Gbit/s PDM-QPSK超奈奎斯特时频二维复用系统能够实现最高11.2bit/s/Hz的频谱利用率,在26GHz信道间隔下相比于同速率的PDM-16QAM超奈奎斯特波分复用系统存在5.5dB的OSNR优势。针对短距光互连的高速大容量传输需求与低成本光电器件的窄带宽、低采样率之间的矛盾,首先提出基于S21曲线的频域分段补偿机制,结合Duobinary编码技术提升了 IM/DD系统的抗窄带滤波能力,降低了光电器件的带宽需求。实验中使用18GHz的DML实现112Gbit/s PAM4信号的lkm单模光纤传输,并将灵敏度优化至-lOdBm。此外,提出使用超奈奎斯特技术在提升频谱利用率的基础上,降低ADC采样率至Nyquist采样率之下。仿真与实验证明,在超奈奎斯特波分复用系统中,ADC采样率需求相比于Nyquist采样率降低75%。
【学位单位】：北京邮电大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TN929.1
【文章目录】：
摘要
ABSTRACT
缩略词索引
第一章 绪论
    1.1 高速光纤传输技术发展趋势
    1.2 超奈奎斯特速率光传输技术研究现状
    1.3 超奈奎斯特速率光传输系统面临的关键问题
    1.4 论文研究内容和结构安排
    参考文献
第二章 超奈奎斯特速率光传输理论
    2.1 正交化传输系统模型与机理
        2.1.1 正交化传输系统理论模型
        2.1.2 奈奎斯特采样定理
        2.1.3 正交化传输系统的容量分析
    2.2 超奈奎斯特速率传输系统模型与机理研究
        2.2.1 超奈奎斯特速率传输发展分析
        2.2.2 超奈奎斯特时频二维复用传输机制分析
    2.3 数字信号处理均衡补偿研究
        2.3.1 低复杂度码间干扰补偿机制
        2.3.2 多二进制滤波器
        2.3.3 基于Viterbi-Viterbi的改进相位补偿算法
    2.4 小结
    参考文献
第三章 超奈奎斯特速率时频单维复用光传输技术
    3.1 基于单载波RZ-QPSK超奈奎斯特时分复用信号调制及探测机制研究
        3.1.1 超奈奎斯特时分复用信号调制原理
        3.1.2 基于时域MIMO的均衡解复用方案
        3.1.3 仿真验证与分析
        3.1.4 实验验证与分析
    3.2 基于多载波DFTS-OFDM超奈奎斯特波分复用信号调制及探测机制研究
        3.2.1 DFTS-OFDM超奈奎斯特波分复用信号调制方案
        3.2.2 DFTS-OFDM超奈奎斯特波分复用信号探测方案
        3.2.3 仿真验证与分析
    3.3 小结
    参考文献
第四章 超奈奎斯特速率时频二维复用光传输技术
    4.1 高谱效复用系统调制机制及实现方案
        4.1.1 超奈奎斯特时域混叠复用系统理论研究
        4.1.2 超奈奎斯特时频二维复用传输方案研究
    4.2 高码间干扰探测方案分析
    4.3 仿真验证与分析
        4.3.1 仿真模型与参数设置
        4.3.2 仿真结果分析
    4.4 小结
    参考文献
第五章 短距大容量低成本超奈奎斯特光互连技术
    5.1 直调直检传输系统的高码间干扰补偿技术研究
        5.1.1 直调直检系统的窄带滤波效应分析
        5.1.2 直调直检系统频域分段补偿机制
        5.1.3 实验验证与分析
    5.2 低于奈奎斯特采样速率的接收处理技术
        5.2.1 超奈奎斯特速率传输系统的采样速率分析
        5.2.2 仿真验证与分析
        5.2.3 实验验证与分析
    5.3 小结
    参考文献
第六章 总结与展望
    6.1 论文工作总结
    6.2 未来工作展望
致谢
攻读博士学位期间发表的学术成果目录

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本文编号：2881368