基于机器学习的相干光通信系统接收机的判决方法研究
发布时间：2021-01-30 05:51
随着诸如物联网,5G等新兴技术的发展,通信系统的容量需求也在日益增长,对于更大通信容量的迫切需求推动着光纤通信系统的物理层调制格式的革新。对比传统的方形QAM星座图,由于基于概率整形技术（Probabilistic shaping,PS）的星座图有着更接近于香农限的信道容量,所以成为一种能够提升通信容量的可行方案。然而,在发送端星座图映射技术不断发展的同时,传统数字相干信号处理技术需要相应改进以实现最优化接收,如频偏估计,偏振解复用以及判决域选取等。尤其,在光纤非线性作用下算法的适应性。经典的最大后验概率（maximum a posteriori probability,MAP）算法适用于概率不均匀分布的情况,但这一算法是在白高斯噪声信道假设下得到的,没有考虑到调制相关非线性以及光纤中非线性效应所带来的影响。本文主要从判决域选取上对概率整形星座图在非线性作用下的判决域选择展开讨论。最近几年,机器学习方法在许多学科中展现了其强大的学习与拟合能力,在光纤通信中也引起了许多研究者的深入研究和应用。本文利用机器学习对于非线性函数的较好拟合能力,构建了一种能够在概率整形与非线性效应影响下工作的分...
【文章来源】：电子科技大学四川省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：60 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
不同先验概率下不同判决门限对于误码率的影响
电子科技大学硕士学位论文10大后验概率算法得到的不同的判决门限。图中的PS-16QAM信号基于仿真信号，红色实线代表MLE判决算法得到的门限，而绿色实线代表了MAP判决算法得到的门限。从星座图的形状和判决门限的位置也可以看出，采用MAP判决算法的门限有着更好的判决效果。图2-3MAP和MLE判决算法的判决门限对比2.3光纤非线性作用下的判决域选择2.1节中展示的数字信号处理补偿算法针对的都是线性效应，而光纤中还存在着一类被称为非线性效应的机制。光纤非线性效应是一系列导致信号畸变效应的总称，常见的光纤非线性效应包括自相位调制（SPM），交叉相位调制（XPM），受激拉曼散射（SRS），受激布里渊散射（SBS），四波混频等（FWM），这几种效应对信号有着不同的影响。如果同时考虑数种非线性效应对于信道的影响，各种效应交织在一起会导致非常复杂的情况，反而难以讨论各效应具体的影响。因此本文根据实验条件对非线性效应进行了一定的简化。考虑到SRS和SBS的产生需要达到一定的功率阈值（对于要求较低的SRS，其阈值大约为10mw），而实验中光发射机功率一般不会达到该阈值，因此二者对信号的影响可以忽略不计；XPM和FWM的产生则分别需要多个信道/多个特定频率的输入光，在单信道、单输入光条件下也可以忽略。因此本文的实验数据中的光纤非线性效应主要由自相位调制效应构成。下面将对自相位调制的产生原因做简单的介绍。
第二章相干光通信中判决方法基础112.3.1自相位调制的原理光纤中的极化强度与入射光的光场强度并非呈线性关系，而是各阶张量与光场强度的幂级数相作用的形式：123PEEEEEE...(2-13)其中P表示极化强度，ε表示真空介电常数，E表示光场强度。χ表示各阶极化率，χ(1)表示二阶张量，以此类推。自相位调制的产生与三阶极化率有关。由于光纤材料具有各向同性，所以二阶极化率对于极化强度的影响比较小，可以近似忽略。将（2-13）式带入电矢量与极化强度的关系式中，可得：203DEE(2-14)2r3E(2-15)对于光纤，其折射率n与相对介电常数εr和相对磁导率μr满足关系rrn。由于光纤中μr约等于1，所以光纤实际的折射率应当表示为：23nE(2-16)从（2-16）式可以看出，光纤的折射率会随着入射光场强度而改变，且入射光场强度越大，折射率也越大。这一效应被称为克尔效应。对于波长为λ，传播长度为L，强度为|E|2的光信号，设克尔效应导致的折射率变化量为Δn，那么光信号产生的额外相移ΔΦ可以表示为：22LLntnfnc(2-17)由（2-17）可知，自相位调制会使光信号受到随着距离增加而累积的相位噪声，效果如图2-2所示。(a)(b)图2-4基于仿真数据的星座图对比(a)开启自相位调制(b)关闭自相位调制
本文编号：3008371
【文章来源】：电子科技大学四川省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：60 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
不同先验概率下不同判决门限对于误码率的影响
电子科技大学硕士学位论文10大后验概率算法得到的不同的判决门限。图中的PS-16QAM信号基于仿真信号，红色实线代表MLE判决算法得到的门限，而绿色实线代表了MAP判决算法得到的门限。从星座图的形状和判决门限的位置也可以看出，采用MAP判决算法的门限有着更好的判决效果。图2-3MAP和MLE判决算法的判决门限对比2.3光纤非线性作用下的判决域选择2.1节中展示的数字信号处理补偿算法针对的都是线性效应，而光纤中还存在着一类被称为非线性效应的机制。光纤非线性效应是一系列导致信号畸变效应的总称，常见的光纤非线性效应包括自相位调制（SPM），交叉相位调制（XPM），受激拉曼散射（SRS），受激布里渊散射（SBS），四波混频等（FWM），这几种效应对信号有着不同的影响。如果同时考虑数种非线性效应对于信道的影响，各种效应交织在一起会导致非常复杂的情况，反而难以讨论各效应具体的影响。因此本文根据实验条件对非线性效应进行了一定的简化。考虑到SRS和SBS的产生需要达到一定的功率阈值（对于要求较低的SRS，其阈值大约为10mw），而实验中光发射机功率一般不会达到该阈值，因此二者对信号的影响可以忽略不计；XPM和FWM的产生则分别需要多个信道/多个特定频率的输入光，在单信道、单输入光条件下也可以忽略。因此本文的实验数据中的光纤非线性效应主要由自相位调制效应构成。下面将对自相位调制的产生原因做简单的介绍。
第二章相干光通信中判决方法基础112.3.1自相位调制的原理光纤中的极化强度与入射光的光场强度并非呈线性关系，而是各阶张量与光场强度的幂级数相作用的形式：123PEEEEEE...(2-13)其中P表示极化强度，ε表示真空介电常数，E表示光场强度。χ表示各阶极化率，χ(1)表示二阶张量，以此类推。自相位调制的产生与三阶极化率有关。由于光纤材料具有各向同性，所以二阶极化率对于极化强度的影响比较小，可以近似忽略。将（2-13）式带入电矢量与极化强度的关系式中，可得：203DEE(2-14)2r3E(2-15)对于光纤，其折射率n与相对介电常数εr和相对磁导率μr满足关系rrn。由于光纤中μr约等于1，所以光纤实际的折射率应当表示为：23nE(2-16)从（2-16）式可以看出，光纤的折射率会随着入射光场强度而改变，且入射光场强度越大，折射率也越大。这一效应被称为克尔效应。对于波长为λ，传播长度为L，强度为|E|2的光信号，设克尔效应导致的折射率变化量为Δn，那么光信号产生的额外相移ΔΦ可以表示为：22LLntnfnc(2-17)由（2-17）可知，自相位调制会使光信号受到随着距离增加而累积的相位噪声，效果如图2-2所示。(a)(b)图2-4基于仿真数据的星座图对比(a)开启自相位调制(b)关闭自相位调制
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