基于高维调制的模分复用技术研究

发布时间：2016-11-14 20:54

第 1 章   绪论 

1.1   论文的研究背景及意义 
进入 21 世纪以来，信息技术飞速发展，人类的生活和经济也随之发生了前所未有的改变。从塞班系统到安卓系统，从闭路电视到小卫星再到现在的网络电视，还有即将进入人们生活的物联网[1]等等，无时无刻都在让人类的生活越来越便捷。2015 年 3 月，李克强总理在政府工作报告中提处出要制定“互联网+”行动计划，推动移动互联网、云计算、大数据、物联网等与现代制造业结合[2]。一时之间，这些词成为人们讨论的热点。 OFweek 光通讯网在 2013 年出版了一篇报道[3]，称随着互联网的发展，网络带宽、互联网用户数以及互联网应用种类等都呈现出爆炸式的增长，尤其互联网应用的点到点技术、在线视频、移动互连等流媒体业务正在快速的吞噬着网络带宽。与此同时，云计算快速进入人类的生活领域，具有超级数据中心的云网络对带宽的需求更加迫切。2011 年 3 月，IEEE  802.3 成立了带宽评估工作组，负责对网络带宽需求和端口速率趋势进行详实的分析，旨在探索 Beyond 100G 时代人类对互联网业务的需求趋势以及网络流量的发展趋势，如图 1.1 所示。由图可知，今年已经增加到 10 倍，到 2020 年网络流量将增加 100 倍。2013 年 3 月，IEEE美国会议正式开启了 400G 的标准化进程。当前华为，阿尔卡特朗讯，美国讯远通信 Ciena 公司等光传输主流设备供应商均已开始 400G 光传输系统产品的研发[4-5]。但人类对于带宽的容量远远不止这些，在达到 400G 后，以太网速率还会进一步演进到 Tbit/s 量级。 
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1.2   国内外研究现状 
首先来看模分复用技术，这一概念始于 1982 年，法国学者 S. Berdagué和 P. Facq 在 10m 长的阶跃型多模光纤中实现了双模式信号的传输[17]。但当时的技术水平和光纤制造工艺均不支持双模式传输，进而模分复用并没有被广泛应用。直到 2010 年，美国中佛罗里达大学的 Faith Yaman、Li Guifang 等人为了减小光纤的非线性效应运用了模场面积大并且耦合小的少模光纤作为传输媒介，实现并成功传输了 1050km 的光信号[18]。此后少模光纤模分复用技术开始被各大实验室以及研究机构广泛研究，其中有阿尔卡特朗讯公司旗下的贝尔实验室、美国斯坦福大学、日本  NTT  网络创新实验室、诺基亚西门子公司、日本东京大学等。一时之间，模分复用掀起了学术界乃至各大权威学术会议的热潮。 2010  年，美国中佛罗里达大学的  Fatih  Yaman  等人再次采用  10×112Gb/s 速率的 PDM-QPSK  信号成功在少模光纤上传输 5032km[19]，为此后研究的人们奠定了有力的基础。 2011  年日本  NTT  实验室的  Nobutomo Hanzawa  等人完成 2×10Gb/s 速率的信号在双模光纤上传输  10km  的实验[20]，在接收端使用直接检测。 同年，美国阿尔卡特朗讯公司贝尔实验室的 Sebastian  Randel  等人在 OFC年会上向人们展示了 3  模光纤的偏振复用实验，速率达到  6×28Gb/s，成功传输 10km [21]。 2012  年，美国的阿尔卡特朗讯贝尔实验室联合美国 OFS 公司的  S.Randel 等人利用差分模式时延补偿的光纤成功的传输了 6×20Gb/s 速率的信号，传输距离长达 1200km [22]。 2013  年，英国南安普顿大学、德国慕尼黑工业大学、德国的诺基亚西门子网络等研究机构，采用美国 OFS  公司研制的少模光纤进行 MDM-8QAM-OFDM 信号的传输实验，速率高达 337.5Gb/s，并且成功传输 150km[23]，接收端更是采用了低复杂度的 DSP 算法。 
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第 2 章   模分复用技术概述 

模分复用技术作为一种新兴的空分复用技术，是将少模光纤或多模光纤中正交且不同的模式作为独立信道来承载信息的技术。利用少模光纤中少量但稳定的模式进行模分复用，既减小了模间色散，又可以借助不同的正交模式作为独立信道进行信息传送，成倍提升系统传输容量。模分复用技术在研究阶段，并没有商用，因此还有很多问题需要商榷。本章将着重介绍模分复用系统的基础架构和它的关键技术。 

2.1   模分复用系统构成 
模分复用系统分为三部分，发送端、传输链路和接收端，首先发送端将电域信号调制到 Mach-Zehnder 调制器上转化为光信号；然后将多路模分复用信号送入少模光纤中进行传输，模式耦合就发生在少模光纤内，随机且不定时；其次在接收端将混合并且有其它损伤的信号进行相干接收，其中不同模式的信号也会在这里由模式解复用器分开；最后将接收到的信号送入 DSP 信号处理单元，经过模数转换、色散补偿、偏振模色散补偿、模式解耦合等处理，得到源信号。图2.1 为模分复用系统的典型框图。人们比较熟悉的光纤有两种，单模光纤和多模光纤[41]。单模光纤作为新一代通信媒质被广泛应用于长距离大容量传输系统，而多模光纤由于包含的模式过多，其固有的模间色散相对严重，大大限制了多模光纤的应用领域。因此少模光纤应运而生。少模光纤的模式数介于多模光纤和单模光纤之间，在模分复用技术中则使用少量的相对稳定的模式来进行复用，不仅可以减少模式之间的模间色散，又能使用正交的模式作为独立的通信信道来传送信息，成倍的提升了系统的传输容量。  
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2.2   模分复用系统的理论模型

根据少模光纤的传输特性，我们将使用 VPI Transmission Maker8.7 仿真平台对少模光纤进行建模，由于该仿真平台中还没有少模光纤的模块，只能用单模光纤来代替。首先我们使用 Mode solver 软件对 LP01模和 LP11模进行仿真求解，得出其不同的性能参数，然后在 VPI 中将两根独立的单模光纤进行参数的设置，使之在性能参数上与 LP01模和 LP11模一致。LP01模和 LP11模的具体参数如表 2.1所示：为了模拟光纤链路中的随时随机性耦合，我们将光纤分段，如果将光纤分成无数段，那么将完全符合光纤链路的随时耦合特性。但为了计算方便，文中设置的光纤总长为 100km，分成五段，每段为 20km。本文所建立的少模光纤的传输链路模型如图 2.4 所示：  

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第 3 章   高维调制技术......... 21 
3.1   高维调制的基础知识及实现方法 ...... 21
3.2   高维调制的星座点选取 ........ 26 
3.2.1   星座点的随机选取 ....... 26 
3.2.2   星座点的距离选取 ....... 27 
3.3   高维调制的映射技术 ..... 27 
3.3.1   概率映射 ......... 28 
3.3.2   距离映射 ......... 28 
3.4   高维系统的理论模型 ..... 29 
3.5   本章小结 .......... 30 
第 4 章   高维调制的模分复用系统传输特性 ........ 33 
4.1   高维调制的模分复用系统建立 .......... 33 
4.2   理想的高维调制模分复用系统传输 ......... 34 
4.3   高维调制的模分复用系统的传输特性 ...... 36 
4.3.1   光信噪比对系统的传输性能影响分析 .... 36 
4.3.2   距离对系统的传输性能影响分析 ..... 37 
4.3.3   模式耦合对系统的传输性能影响分析 .... 38 
4.4   本章小结 .......... 39 
第 5 章   高维调制的模分复用系统的均衡技术 ..... 41 
5.1   高维调制的模分复用系统色散补偿技术 ......... 41 
5.2   高维调制的模分复用系统偏振模色散补偿技术 .... 43 
5.3   高维调制的模分复用系统模式解复用技术 ..... 46 
5.4   本章小结 .......... 49 

第 5 章   高维调制的模分复用系统的均衡技术 

基于高维调制的模分复用系统在系统的传输容量上是无限扩充的，在大容量长距离传输中高维调制和模分复用均起到了至关重要的作用，但是在具体的实施中，色散、偏振模色散以及模式耦合都是无法避免的，所以针对上面所提到的三项损伤必须找到相应的算法来弥补。本章将分别针对以上三项损伤提出相应的算法来处理信号，并能达到良好的效果。 

5.1   高维调制的模分复用系统色散补偿技术 
色度色散属于线性损伤并且随时间的变化率不是很大。色散均衡技术一般包括时域均衡技术和频域均衡技术两种，其原理示意图见图 5.1。直接探测系统中，对色散的补偿大多使用时域均衡法或其他方法。由于本文传输的码型和模分复用系统的结构选择的是相干接收系统,所以我们采用频域均衡对色散进行补偿。这样既可以避免时域均衡中要浪费大量的时间去初始化抽头系数，而且将大量的光纤色散积累到最后抑制了信道传输过程中的非线性效应，提高了整个程序的执行速率。目前基于高维调制的模分复用系统色散补偿技术处于起步阶段，并没有很成熟，论文中也很少提到，有人也尝试使用 DD-LMS 算法对色散进行均衡补偿。在本文建立系统的过程中，考虑到信号是由电信号变为光信号的，且在光域信号是分别传输在 X、Y 偏振态以及 I、Q 四个维度上的，我们暂且可以把它当作是两个复用的 QPSK 信号，使用频域均衡的办法将其进行色散补偿处理。 下面将给出传输速率为 56Gbits，其他影响因素为 0，色散分别为 16ps/nm/km和 15ps/nm/km 情况下两模式中传输的高维信号在色散补偿前后的眼图比较，如图 5.2 所示。 由图 5.2 可知，频域色散均衡算法能很好的弥补色散带来的损伤，在未补偿之前两模式的信号眼睛张开度均为 0，补偿之后，眼睛清晰可见，电平值也只需要判决之后就和源信息码元一致。 
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总结 

随着信息化社会的到来，人们对通信带宽的要求进一步增加。作为通信系统的主干网络—光通信网络的通信容量亟需提高。由于单模光纤自身的非线性效应和放大器的自发辐射噪声，长距离大容量的单模光纤传输系统已经达到了其香农极限，但是人类的需求并没有因此而减少。为了满足人们的要求，研究者们开始关注模式这一未被利用的自由度。模式最初来源于多模光纤，据信息论论述，多模光纤中的每一个模式都可以当作是一个通信信道来承载信息，加上多模光纤的成本和端口接收设备成本较低，人们更倾向于用多模光纤来传输信息。但是多模光纤中的模式较多，因而会有严重的模间色散，这导致多模光纤的传输性能严重下降。少模光纤便应运而生。少模光纤,  顾名思义,  就是相对于单模光纤模式多，但相对于多模光纤模式又少的光纤，，并且少模光纤中的光纤稳定且正交，模间色散也减弱很多，完全符合光纤信道的要求。与此同时，高维调制因为其较高的谱效率和渐进功率效率在调制方式领域内脱颖而出，在牺牲较少谱效率的情况下使得其渐近功率效率大大增加，使得传输容量和传输距离同时达到人们的要求。 本文就模分复用和高维调制技术相结合做了系统介绍和研究。为了更好的理解模分复用的概念，本文先从模分复用系统的关键组成部分出发简单介绍了模分复用所需要用的少模光纤，模分复用/解复用器以及基于高维调制的模分复用系统的损伤；其次从高维信号的产生方法和高维信号的两个关键技术详细介绍了高维调制的概念和原理；接着建立了基于高维调制的模分复用系统的理论模型并进行仿真分析；最后对模分复用系统中色散、偏振模色散以及模式耦合带来的损伤进行数字信号处理算法处理。其具体工作如下： 
1.首先给出模分复用系统的原理框图，接着对模分复用的组成部分做了详细的介绍：少模光纤，模分复用/解复用器和模式耦合模型。最后对模分复用系统接收端所要用到的信号处理算法做了简单介绍，主要包括色散补偿技术，偏振模色散补偿技术和模式解复用技术。 
2.详细介绍了高维调制的原理，从它的提出到基本概念做了详细介绍，然后从他的三个产生方法来分别论述高维信号的产生过程，为以后选择产生方法做了基础铺垫；接着对高维信号两个关键技术：星座点选取技术和比特符号映射技术做了详细的论述。  
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参考文献(略)

本文编号：174866