塑料光纤短距高速通信相关技术研究

发布时间：2017-09-27 03:10

  本文关键词：塑料光纤短距高速通信相关技术研究

  更多相关文章： 塑料光纤 调制技术 离散多音频 多元位置相移键控 信道容量 最优带宽 非线性失真

【摘要】：塑料光纤(POF)纤芯粗、柔韧性好、价格低廉、材质耐用、抗电磁干扰、易于安装和建设成本低,得到了越来越多的关注,有望取代传统媒质成为短距高速数据通信的理想介质。然而,POF色散大、带宽有限,又成为高速数据传输的主要障碍。如何降低衰减、提高带宽,对POF通信具有非常重要的实用意义。本文主要从数字信号处理角度,探索先进的具有较强抗衰落能力的信号传输方案和处理算法,以克服POF的带宽瓶颈限制,达到提高POF传输速率、扩充系统容量和改善传输性能的目的。结合聚甲基丙烯酸甲酯阶跃折射率塑料光纤(PMMA-SI-POF)的传输特性,重点讨论了高效数字调制技术、传输容量提升、传输带宽优化和系统非线性等方面的问题。针对影响多元位置相移键控(MPPSK)调制信号功率谱旁瓣电平的线谱杂散,分析了MPPSK信号的频谱特性,找出线谱分布规律,提出波形优化法和多元满位置法来抑制线谱杂散；设计了两类不同的解调器对两种功率谱优化后的MPPSK信号进行解调；从功率谱特性和解调性能方面,对两种方法进行了仿真验证和分析,结果表明,优化后的MPPSK调制信号线谱被抑制,调制带宽得到了紧缩,在较低的信噪比(SNR)环境下依然具有优异的误码率(BER)性能,且在相同的BER指标下,波形优化法要比多元满位置法节省0.3dB～0.7dB的能量,表明了两种方法的有效性和可行性。SI-POF具有类似低通滤波器的传输特性,信号在高频率传输区域具有较大的衰减,导致该区域内的通信能力和通信质量受限。将S I-POF的传输频带划分为两个区域,利用MPPSK的低功耗特性,提出了一种基于离散多音频调制(DMT)和MPPSK调制的融合传输方案；为了减小MPPSK的信号旁瓣对DMT相邻边带的干扰,提高DMT的抗干扰能力,在频域内使用了Hadamard序列对映射符号进行扩展。50m的SI-POF传输实验表明,在1×10-4的BER指标下,DMT-MPPSK在原先废弃的低SNR区域内实现了速率为39Mbps的额外MPPSK数据传输,充分利用了有限的信道资源,在同等功耗条件下进一步提升了POF的传输能力。针对未编码的SI-POF通信系统的传输容量计算问题,分析了理想最优和实际传输的DMT子载波功率分配；从降低系统实现的复杂度方面考虑,在均匀功率谱密度输入的约束下,对SI-POF的IM/DD通信模型进行了数学分析；基于高斯低通和一阶低通的POF信道模型,给出了基于信噪比间隔的最大可传输容量和最优使用带宽的计算模型。借助数值计算研究了系统的传输带宽和信道容量,理论计算和50m的SI-POF传输实验表明了该计算方法的准确性,使用优化的传输带宽可以提高系统的最大可传输速率。该计算方法可有效地用于SI-POF通信系统的容量计算和传输带宽优化。针对DMT信号峰均比(PAPR)较大的缺陷,首先理论分析了Nyquist采样和过采样条件下DMT信号的PAPR统计分布。基于Jacket矩阵求逆简单、构造便捷的优点,提出了一种Jacket矩阵扩展的JS-DMT传输方案,减小了原始频域符号的非周期自相关性,进而可以有效地降低时域信号的PAPR值。分析表明JS-DMT具有优异的功率谱(PSD)和BER性能,且兼备了低复杂度的优点。为了克服JS-DMT的通信性能受POF传输带宽影响较大的缺陷,提出了一种基于子带分割的新型多带(MB)JS-DMT传输方案。该方案将POF传输频带划分为多个子带,并在子带内对调制符号进行Jacket矩阵扩展,以避免了JS-DMT中整个频带内SNR是恒值的现象发生。实验表明,MB-JS-DMT克服了JS-DMT的带宽敏感性,扩展了可用传输带宽,提高了最大传输速率。但其传输性能与子带分割有关,子带个数的选择需要在PAPR抑制、BER性能、传输速率和系统复杂度之间折中选择。理论分析与实验表明了MB-JS-DMT的可靠性和可行性,该传输方案更适用于实际POF传输系统。为改善SI-POF通信系统中RCLED的非线性失真,分析了该非线性对DMT传输性能的影响。结合实测数据,对RCLED的静态传输特性进行多项式拟合,建立了一种适用于POF通信的RCLED传输模型,分析了直流偏置点和电信号功率的选择对传输性能的影响。为缓解RCELD的非线性效应,设计了基于多项式数字预失真和LUT数字预失真的DMT传输方案。结果表明：即使在较为严重的非线性畸变情况下,系统仍然可以保持较好的通信性能,比原始DMT传输取得了将近10dB的BER增益,展现出较强的抗非线性干扰的能力。
【关键词】：塑料光纤 调制技术 离散多音频 多元位置相移键控 信道容量 最优带宽 非线性失真
【学位授予单位】：东南大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TN929.11
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-15
• 缩略词15-18
• 第1章 绪论18-38
• 1.1 研究背景18-26
• 1.1.1 接入网室内短距离光纤通信18-20
• 1.1.2 塑料光纤20-21
• 1.1.3 POF的分类21-23
• 1.1.4 POF通信中的光电器件23-24
• 1.1.5 POF的应用与发展前景24-26
• 1.2 国内外研究状况26-34
• 1.2.1 国内研究现状26-27
• 1.2.2 国外研究进展27-34
• 1.3 研究意义34-35
• 1.4 论文的主要工作及结构安排35-38
• 1.4.1 研究目标35
• 1.4.2 研究内容35-36
• 1.4.3 组织结构36-38
• 第2章 SI-POF传输系统38-54
• 2.1 POF的光传输性能38-40
• 2.1.1 衰减38
• 2.1.2 色散38-40
• 2.2 基于IM/DD的SI-POF通信系统40-43
• 2.2.1 IM/DD光通信40-41
• 2.2.2 离线实验装置41-43
• 2.3 IM/DD信道响应测量与信道模型43-48
• 2.3.1 信道频率响应测量43-46
• 2.3.2 信道模型46-48
• 2.4 POF通信系统中的噪声48-52
• 2.4.1 限幅噪声48-49
• 2.4.2 接收机噪声49-50
• 2.4.3 量化噪声50-51
• 2.4.4 归一化信噪比51
• 2.4.5 噪声功率谱密度51-52
• 2.5 本章小结52-54
• 第3章 高效数字调制技术54-86
• 3.1 引言54
• 3.2 DMT调制54-60
• 3.2.1 DMT技术原理54-57
• 3.2.2 DC-DMT调制57-58
• 3.2.3 AC-DMT调制58-60
• 3.3 类正弦调制技术60-74
• 3.3.1 基本原理60-62
• 3.3.2 调制信号的离散线谱杂散分析62-64
• 3.3.3 波形优化法64-65
• 3.3.4 波形优化法下的解调器设计65-69
• 3.3.5 多元满位置法69
• 3.3.6 多元满位置状态下的解调器设计69-71
• 3.3.7 仿真验证与分析71-74
• 3.4 DMT与MPPSK的融合传输74-84
• 3.4.1 融合传输结构74-76
• 3.4.2 相邻边带干扰76-78
• 3.4.3 实验与分析78-84
• 3.5 本章小结84-86
• 第4章 POF通信系统的容量提升与带宽优化86-112
• 4.1 引言86
• 4.2 POF通信系统的理论信道容量86-88
• 4.3 自适应调制88-99
• 4.3.1 技术概述及系统模型88-92
• 4.3.2 Water Pouring原理92-94
• 4.3.3 Hughes-Hartogs算法94-95
• 4.3.4 Chow算法95-98
• 4.3.5 Fischer算法98-99
• 4.4 POF通信系统的实际可传输容量99-104
• 4.4.1 实际情况下的功率分配100-101
• 4.4.2 实际可传输容量计算101-104
• 4.5 实验与分析104-109
• 4.5.1 等效信噪比对可传输容量影响104-105
• 4.5.2 带宽边界对可传输容量影响105-106
• 4.5.3 传输距离对可传输容量影响106-107
• 4.5.4 实际传输验证107-109
• 4.6 本章小结109-112
• 第5章 Jacket预编码的DMT传输方案112-134
• 5.1 引言112
• 5.2 DMT信号的PAPR统计分布112-117
• 5.2.1 Nyquist采样信号112-113
• 5.2.2 过采样信号113-115
• 5.2.3 仿真验证115-117
• 5.3 PAPR抑制技术117-120
• 5.3.1 信号畸变类技术117-118
• 5.3.2 编码类技术118
• 5.3.3 概率类技术118-120
• 5.4 Jacket预编码的DMT调制系统120-127
• 5.4.1 自相关特性120-121
• 5.4.2 Jacket矩阵121-123
• 5.4.3 Jacket预编码的单带DMT调制解调器123-125
• 5.4.4 Jacket预编码的多带DMT调制解调器125-127
• 5.5 实验与分析127-133
• 5.5.1 JS-DMT的性能分析127-129
• 5.5.2 MB-JS-DMT的性能分析129-131
• 5.5.3 BER性能分析131-133
• 5.6 本章小结133-134
• 第6章 POF通信中的RCLED非线性134-150
• 6.1 引言134-135
• 6.2 RCLED的传输特性测量135-137
• 6.3 RCLED的非线性模型137-138
• 6.4 RCLED的非线性噪声138-139
• 6.5 非线性失真的改善与补偿139-143
• 6.6 分析与讨论143-148
• 6.6.1 非线性效应的影响143-144
• 6.6.2 直流偏置的影响144-145
• 6.6.3 DMT信号均方根电压的影响145-146
• 6.6.4 RCLED非线性效应的预失真补偿146-148
• 6.7 本章小结148-150
• 第7章 总结与展望150-156
• 7.1 全文总结150-152
• 7.2 主要创新152-153
• 7.3 研究展望153-156
• 致谢156-158
• 参考文献158-172
• 作者攻读博士学位期间参加的科研项目和成果172-173

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本文编号：927270