（光学工程专业论文）高速光纤通信系统中adc对mlse性能影响的研究.pdf

摘要 摘要 色散引起的码间串扰大大制约了光纤通信系统的容量和传输距离。随着高速 电子器件的发展，电域色散补偿技术以其突出的价格优势和优异的性能逐渐受到 人们的重视，特别是最大似然序列估计( m l s e ) ，近年来成为了研究的热点。 m l s e 的实用涉及到两个主要的问题：算法的复杂度和高速模数转换器( a d c ) 的实现。本文就a d c 的实现部分中可能涉及到的一些问题进行理论性研究。主要 的研究工作如下： 首先搭建了1 0 g b i t s 的单模光纤通信系统仿真模型，在m a t l a b 上仿真了a d c 的采样率和a d c 分辨率对m l s e 性能的影响。采样率方面，采用了一倍采样和二 倍采样，并研究了这两种采样情况下采样时间抖动对m l s e 性能的影响。结果表 明二倍采样能很好地解决采样时间抖动问题，使得m l s e 性能更加稳定。a d c 分 辨率方面，在两种不同的量化模型下对3 b i t 、4 b i t 、5 b i t 量化在不同传输距离下的 性能进行了仿真，最终得出当传输距离小于4 0 0 k i n 时，4 b i t 能很好地均衡系统的 性能，传输距离和实现复杂度。这些研究对m l s e 中a d c 的实现具有一定的指导 作用。 关键词：最大似然序列估计，电域色散补偿，模数转换器，光纤通信 a b s t r a c t - _ - - - - _ _ - _ _ - - _ - _ - _ _ _ - ，_ _ 一一一一 a b s t r a c t t h ei n t e r - s y m b o l _ i n t e r f e r ed u et ot h ei n h e r e n tc h r o m a t i c d i s p e r s i o ni nf i b e rg r e a t l y r e s t r i c t st h et r a n s m i s s i o nd i s t a n c ea n dc a p a c i t yo f o p t i c a lf i b e rc o m m u n i c a t i o ns y s t e m w i t ht h ed e v e l o p m e n to fh i g hs p e e de l e c t r o n i ci n s t r u m e n t ，t h er e s e a 】c h e l l sa r ea t 仃a c t e d b yt h ee l e c t r o n i cd i s p e r s i o nc o m p e n s a t i o nb e c a u s eo fi t se x c e l l e n tp e l f 0 眦a n c ea n d s u p e r i o r i t yi nc o s t , e s p e c i a l l ym a x i m u m h a sb e c o m ear e s e a r c hh o t s p o t l i k e l i h o o ds e q u e n c ee s t i m a t i o n ( m l s e ) ，i t b u tt h eh i g hc o m p l e x i t yo ft h ea l g o r i t h ma n dd i f f i c u l t yo fi m p l e m e n t a t i o no fh i 幽 s p e e da n a l o gt od i g i t a lc o n v e r t e r ( a d c ) a r et h et w om a i no b s t a c l e so fm l s e t h e p r o b l e m sr e l a t e dt ot h ei m p l e m e n t a t i o no f a d ca l ed i s c u s s e d t h e o r e t i c a l l yi nt i f f sp a p e c t h er e s e a r c hw o r k sa r e 淞f o l l o w s ： t h ei n f l u e n c eo ft h es a m p l i n gs p e e da n dr e s o l u t i o ni na d c o nt h ep e r f o r m a n c eo f m l s ea r er e s e a r c h e di nm a t l a bt h r o u g hb u i l d i n gas i n g l e - m o d ef i b e rc o n m u n i c a t i o n s y s t e mm o d e l b o t ht h eo n es a m p l ep e rb i ta n dt w o f o l do v e rs a m p l i n ga r e r e s e a r c h e d a l s ot h ei n f l u e n c eo fs a m p l i n gt i m ej i t t e r t h er e s u l ts h o w st w o f o l do v e rs a m p l i n gc a n o v e r c o m et h es a m p l i n gt i m ej i t t e ra n dm a k e st h ep e r f o r m a n c e o fm l s eb em u c ：hs t a ：b l e u n d e rt w oq u a n t i f i c a t i o nm o d e l s ，t h ep e r f o r m a n c e so f 3 b i ta d c ，4 b i ta d ca n d5 b i ta r e d i s c u s s e di nd i f f e r e n td i s t a n c e t h er e s u l ts h o w s4 b i ta d cc a nm a k e ag o o db a l a n c e a m o n gp e r f o r m a n c e ，d i s t a n c ea n dc o m p l e x i t y t h e s er e s e a r c h e sa r eu s e f u lf o r 伍e i m p l e m e n t a t i o no f a d ci nm l s e e s t i m a t i o n , e l e c t r o n i cd i s p e r s i o n c o m p e n s a t i o n ，a n a l o g t o d i g i t a l c o n v e r t e r , o p t i c a l f i b e r c o m m u n i c a t i o n 图形列表 图形列表 图2 1 光纤通信系统示意图5 图2 2 传输距离与眼图的关系1 0 图2 3 线性横向滤波器模型：l3 图2 4 判决反馈均衡器模型1 4 图3 1 光纤信道中最大似然序列均衡器仿真模型1 6 图3 2 光纤中的数字调制原理。1 7 图3 3 接收机噪声1 9 图3 4 均匀量化特性曲线2 1 图3 5 状态数为4 的网格图2 3 图3 - 6 传输距离为1 0 0 k i n 时不同状态数对m l s e 性能的影响2 5 图3 7 传输距离为2 0 0 k i n 和3 0 0 k m 时不同状态数对m l s e 性能的影响2 6 图3 8 传输距离为4 0 0 k m 时不同状态数对m l s e 性能的影响2 7 图3 - 9 不同传输距离、无量化情况下m l s e 的性能2 8 图4 1 两倍采样原理图3 1 图4 2 不同传输距离下二倍采样和一倍采样的系统性能差距3 2 图4 3 一倍采样，采样时刻偏差示意图3 3 图4 - 4 不同传输距离下，一倍采样时采样点偏差对m l s e 的影响3 3 图4 5 平方前量化模型3 5 图4 6 传输距离为1 0 0 k m 和2 0 0 k m ，3 b i t 量化时系数k 的优化3 6 图4 7 传输距离为3 0 0 k m ，3 b i t 量化时系数k 的优化3 7 图4 8 传输距离为1 0 0 k m 和2 0 0 k i n ，3 b i t 量化时系数k 的优化3 8 图4 9 不同传输距离下量化对m l s e 性能的影响4 0 图4 1 0 不同传输距离下4 b i t 、5 b i t 量化后m l s e 的性能4 1 图4 1 l 接收功率抖动对4 b i t 量化性能的影响4 2 图4 - 1 2 传输距离为1 0 0 k i n 时，不同状态数下4 b i t 量化的性能4 3 图4 1 3 传输距离为2 0 0 k m 时，不同状态数下4 b i t 量化的性能。4 4 图4 1 4 传输距离为3 0 0 k m 时，不同状态数下4 b i t 量化的性能4 4 图4 1 5 传输距离为4 0 0 k i n 时，不同状态数下4 b i t 量化的性能4 5 图4 1 6 平方后量化模型4 6 图4 - 1 7 不同传输距离下量化对m l s e 性能的影响4 7 v 缩略字表 e d f a d c f d f e 嗣陋 m 屯s e a d c i s i 缩略字表 e r b i u m - d o p e df i b e ra m p l i f i e r d i s p e r s i o nc o m p e n s a t i n gf i b e r d e c i s i o n - f e e d b a c ke q u a l i z a t i o n f e a d - f o r w a r de q u a l i z a t i o n m a x i m u m - l i k e l i h o o ds e q u e n c ee s t i m a t i o n a n a l o 分珏d i g i t a lc o n v e r t e r i n t e r - s y m b o l - i n t e r f e r e v i 掺饵光纤放大器 色散补偿光纤 判决反馈均衡 线性横向均衡 最大似然序列估计 模数转换器 码间串扰 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 为获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 签名： 董旌日期：莎胗年多月乡日 论文使用授权 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名：蓬拖导师签名： 日期：加加年二月乡e l 第一章绪论 1 1 课题的背景及研究意义 第一章绪论 1 9 6 0 年，光纤之父高锟首先提出了用光纤进行光通信的设想。随后在1 9 7 0 年， 光纤通信得到了很大的发展。一方面是美国的柯林公司研制出了每公里2 0 d b 的低 损耗光纤；另外一方面，贝尔实验室成功研制室温连续运转的半导体激光器，这 两者的结合就成为了光纤通信的基础。随后光纤通信技术蓬勃发展，世界各地都 铺设了光纤通信网。近几年，随着互联网业务的迅速增长，新型宽带业务应运而 生，对通信容量与速率的要求也越来越高，在这样的大背景之下，光纤通信以其 特有的优势得到了快速的发展。在光通信系统中大量采用全光技术，包括全光信 号的存储、处理和交换等，以克服电子瓶颈对速率的限制。但是由于现有光通信 技术和器件的限制，全光网络还无法实现。同时，从系统实现成本及技术的成熟 度考虑，如何更有效的利用现有网络及相关电技术实现光纤通信系统的更高速率 更远距离传输显得更具优势。 限制光纤中光信号传输的两个重要因素是损耗和色散。损耗问题随着1 9 9 0 年 掺饵光纤放大器( e d f a ：e r b i u m d o p e df i b e r a m p l i f i e r ) 的问世得到了较好的解决， 使得光纤中的损耗已不是限制光纤系统传输性能的主要因素。但是e d f a 在减小 损耗的同时却加剧了色散的累积，使得色散问题更加突出。传统的对抗色散影响 提高光纤系统性能的光域色散补偿技术主要有色散补偿光纤( d c f ：d i s p e r s i o n c o m p e n s a t i n gf i b e r ) 、线性啁啾光纤布拉格光栅、高阶模色散管理器等。这些传统 的色散补偿技术是在光域中实现对光纤信道色散效应的补偿，不需要光电转换， 因此似乎更适合光纤通信系统的高速率要求。然而随着传输速率的进一步提高， 偏振模色散更加明显，且随着时间和环境等变化，很难再用传统的光学技术进行 补偿，因此需要使用另外一种补偿技术。另一方面，随着动态网络的出现，光纤 中光脉冲信号经过的光路会随不同的路由选择而发生变化，这时就需要一种动态 的色散补偿技术，而这种动态的色散补偿技术也很难用传统的光域色散补偿技术 实现。再加上电信号处理技术的成熟度及集成电路具有的高性能、小型化、低功 耗等优点，人们逐渐意识到可以利用电的处理技术来实现色散的动态补偿。由于 电子科技大学硕士学位论文 这些信道均衡技术在光纤通信系统中实现时需要将光信号转换为电信号，然后在 电域进行处理，因此称之为电域色散补偿技术。相对于传统的光域色散补偿技术， 电域色散补偿的优势在于不用改变发送机和接收机的结构，而且也不会引入光的 损耗。随着电子处理速度的提高，越来越多的光纤传输系统采用了电域色散补偿 技术。 1 2 最大似然序列估计的研究状况和进展 早在2 0 世纪9 0 年代，就有研究者提出了在光纤传输系统中应用电信号处理 技术对信号的失真进行均甜1 1 。但是由于光信号的传输速率高，这种技术一直受制 于电子处理的瓶颈。近年来，随着高速电子器件的发展，国内外的研究者重新对 使用电域均衡技术来补偿光纤传输系统中的色散问题产生了浓厚的兴趣【2 】巾】。 目前国内外研究的电域色散补偿技术主要有判决反馈均衡( d f e ， d e c i s i o n f e e d b a c ke q u a l i z a t i o n ) 、线性横向均衡( f f e ，f e e d f o r w a r de q u a l i z a t i o n ) 以及最大似然序列估计均衡( m l s e ，m a x i m u m l i k e l i h o o ds e q u e n c ee s t i m a t i o n ) p 】。 关于m l s e 均衡技术在光纤通信系统中应用的研究，从2 0 0 5 年开始逐渐增多，既 包括理论和仿真的系统性能的研究，也包括实验验证。其中，理论研究的内容主 要是针对不同的光纤信道模型和调制方式，研究m l s e 均衡器的性能，例如文献 6 】【7 】( l u c e n t ) 、【8 】( 西门子公司) 、【9 】等。这些理论和仿真研究表明，m l s e 可 以获得比d f e 和f f e 均衡器更好的系统误码率性能，但是代价却是实现起来要复 杂很多。 由于m l s e 均衡器的实现复杂度更高，因此其实验验证就成了其能否实用的 关键，也成为了各大光纤器件和设备公司研发和关注的内容。德国c o r c o p t i c s 公 司在2 0 0 5 年的一个i e e 组织的国际会议上，曾经报道了基于0 1 3f a nc m o s 工艺 的m l s e 均衡器，使用采样速率为2 5 g s p s ，3 b i t 量化的高速模数转换器( a d c ) ， 每比特采样两次，使用维特比算法对信号进行判决输出。对非归零( 眩) 格式 的信号测试表明，该接收机可以较大地提高系统色散容限【l o 】；德国m a r c o n i 公司 在2 0 0 5 年的o f c 上也报道了类似的m l s e 均衡器用于提高d u o b i n a r y 调制方式时 的系统性能。2 0 0 8 年c o r o o p t i c s 公司又在o f c 2 0 0 8 会议上宣布推出第二代m l s e 技术【n 】。这是目前为止我们见到的不多的基于已实现了的集成电路器件的报道。 此外，还有一些国外高校的验证实验，通过采样示波器将电信号取出后，再用 2 第一章绪论 m a t l a b 等进行m l s e 均衡和验证，这种验证方式这里不再讨论。除了m l s e 实 现时自身的复杂度很高以外，m l s e 均衡器还必须要求对光电转换之后的电信号进 行1 0 g 甚至更高的a d 转换，这也是实现时的主要困难之一。 虽然国内外对m l s e 的研究很多，但是其中对m l s e 中所用到的模数转换器 ( a d c ，a n a l o g - t o d i 西t a lc o n v e r t e r ) 的介绍却少之又少。像前面讲过的c o r e o p t i e s 公司实现的具有m l s e 功能的光接收机，也仅仅是提到m l s e 均衡器使用的是3 位分辨率，采样速率为2 5 g s p s 的a d c ，但是并没有给出其实现的细节。同样在 文献 1 2 1 3 1 也使用m l s e 均衡器来补偿光纤信道中的色散，均使用的是4 位分 辨率的a d c ，但是并没有对a d c 的选取做出介绍。还有很多研究为了得到最优 的性能直接忽略a d c 1 4 】。国内也有高校研究m l s e 对光纤通信中的色散进行补偿， 但是研究中也没有考虑a d c 对m l s e 性能的影响【u 】，也就是说考虑的是最优的 m l s e 性能。但是m l s e 要真正用于高速光纤传输系统，a d c 的实现不可忽略。 国外的文献 1 6 】中提到已经有采样率为3 0 g s p s 的a d c 在1 0 g b i t s 的光纤通信系 统中运用的案例。国内虽然也有很多对高速a d c 的实现进行研究【1 7 1 1 8 】，但是都没 有达到如此高的采样率。基于这样的背景，在高速光纤系统中研究a d c 的采样和 量化对m l s e 性能的影响很有必要。 1 3 论文各部分的主要研究内容 随着光纤通信系统的广泛使用，对系统中色散的补偿技术的研究具有很重要 的意义，研究生期间对色散补偿技术中的最大似然序列估计( m l s e ) 进行了大量 的研究与分析。主要的工作如下： 最大似然序列估计在光纤通信系统中应用的一个重要的难点就是高速a d c 的 实现，很多国内外对最大似然序列估计的研究为了得到最优的性能，都忽略了对 a d c 这部分的讨论或者仅仅是简单提到所用的是几位分辨率的a d c ，都没有给出 实现的细节以及相应的研究。本文在对最大似然序列估计的原理和算法进行深入 的理解后，对a d c 的采样和量化部分进行了研究。分别讨论了采样率对m l s e 性 能的影响和量化对m l s e 性能的影响。对量化进行研究时提出了两种量化的模型， 并对a d c 中一个最重要的参数分辨率进行了深入的分析，通过仿真找出不同的 分辨率下最大似然序列估计能发挥出的最优的性能，最后选择出适合本文仿真环 境的a d c 的分辨率。这对于最大似然序列估计的硬件实现有很高的参考价值。 3 电子科技大学硕士学位论文 围绕以上工作，本文以高速光纤通信系统中a d c 对最大似然序列估计影响的 研究为核心，论文的各部分内容安排如下： 第1 章绪论，主要介绍了本文的研究背景和研究意义。对高速光纤传输系统 的各种色散补偿技术进行了概述，主要介绍了本文中用于补偿光纤色散的最大似 然序列估计均衡( m l s e ) 的研究状况和进展。在阅读大量国内外m l s e 研究的文 献中发现a d c 对m l s e 性能影响的研究非常少，但是在m l s e 的具体实现时， a d c 的实现和各个参数的合理选取是非常重要的。这就是本文研究的出发点。 第2 章光纤通信系统和色散补偿技术，主要介绍了光纤通信的原理、特点。 重点介绍了光纤通信中的色散问题。分别对光域色散补偿技术和电域色散补偿技 术进行了简单的介绍。综述了电域色散补偿的几种主要的均衡器，通过简单对比 这几种均衡器的优缺点，提出了本文所研究的最大似然序列估计均衡器。 第3 章光纤通信系统中影响m l s e 性能的主要因素的研究。首先对本文中使 用的仿真系统进行了详细的介绍。基于此仿真系统，对影响m l s e 性能的主要因 素进行了研究，主要包括m l s e 算法中的状态数和光纤传输距离，还有一个重要 因素a d c 将在第四章进行深入分析。这一章的研究对于后面一章着重介绍a d c 对m l s e 性能的影响有很强的铺垫作用。 第4 章结合第3 章的结论，为研究a d c 对m l s e 性能的影响提出了仿真环 境，首先对a d c 采样部分的采样率进行研究，分别考虑一倍采样和两倍采样率对 m l s e 的影响。其次对a d c 量化部分中一个重要的参数一分辨率对m l s e 性能的 影响作出了详细的研究。在本文的仿真环境下，在平衡m l s e 性能和a d c 实现困 难程度这两者后，得出结论4 位分辨率的a d c 能发挥很好的性能。 第5 章结论和展望。给出本文研究的结论以及本文研究中存在的不足，并对 后续可能的研究进行说明。 4 第二章光纤通信系统和色散补偿技术 2 1 光纤通信 第二章光纤通信系统和色散补偿技术 本节对整个光纤通信系统基本原理进行介绍，通过介绍了解光纤通信系统不 同于其他通信系统的特点。 2 1 1 光纤通信基本原理 与一般的通信系统一样，光纤通信的原理也是将信号加载到载波上，再通过 信道传输到接收端。只是光纤通信系统的载波是频率非常高的光载波，目前实用 的光载波工作频率为1 6 7 - 3 7 5 t h z 。光纤通信系统的信道也是和其他通信系统不 同的，它的传输信道是光纤。由于光载波和光纤的一些特殊性，光纤通信系统的 传输框图和一般的通信系统也有很大的区别，下面将简单地进行介绍。 光接收机 电端机 ( 收) 图2 - 1 光纤通信系统示意图 如图2 1 所示，光纤通信系统是由电端机、光发送机、光纤线路、光中继机和 光接收机组成【1 9 】。现在一般使用的都是数字光纤通信系统，所以电端机会对来自 信源的信号进行相关的处理，如模数转换、多路复用等。为了使得电信号能在光 纤中传输，光发送机将电端机发送出来的电信号变换成光信号耦合进光纤中。所 以光发送机中的重要器件是能够完成电光转换的半导体光源。目前主要采用半导 5 电子科技大学硕士学位论文 体激光器( l d ) 或半导体发光二极管( l e d ) 。在通信系统的线路上有两种类型的 光纤，一种是单模光纤，另一种是多模光纤。单模光纤适用于大容量、长距离的 光纤通信【冽；多模光纤用于低速率、短距离传输。可根据实际的需要进行光纤的 选择。随着信号在光纤中传输，经过长距离传输后光脉冲会受到较大的衰减，为 了保证通信质量，在光接收机和光发送机之前适当距离上就必须设有光中继器【2 1 1 。 光纤通信系统中的光中继器主要有两种，一种是光电光转换形式的中继器，这种 中继器将受到衰减失真的光脉冲信号转换成电信号，进行放大、整形、再生，最 后变成一定强度的光信号继续在光纤中传输；另一种是在光信号上直接放大的光 放大器。当信号通过光纤和光中继机最终到达光接收机时，光接收机将光信号转 换成电信号，这个功能是由光接收机中的光电检测器来完成的，转换后的电信号 再经放大、均衡、判决再生为原来送入光发送机的电信号 2 2 1 ，最后送至接收端的 电端机，电端机再做相关的操作恢复出信息。这样就完成了一次通信的全过程。 2 1 2 光纤通信的特点 如上面讲到的，在光纤通信系统中，一方面，作为载波的光波频率比电波频 率高得多，另一方面，作为传输介质的光纤又比其他通信系统中所用的传媒介质 同轴电缆或波导管等的损耗低很多。因此，相对于电缆通信或微波通信，光纤通 信的特点概括起来主要有以下几点。 1 ，传输频带宽，通信容量大 通信容量和载波频率成正比，通过提高载波频率可以达到扩大通信容量的目 的。光波的频率比一般通信系统的频率高很多，因此，其通信容量也会大很多。 另一方面可以采用多种复用技术来增加传输容量，最简单是空分复用，因为光纤 很细，一根光缆可以容纳多达几百根光纤。就单根光纤而言，采用波分复用技术 是增加光纤通信系统传输容量最有效的方法。 2 ，传输损耗小，中继距离长 目前，石英单模光纤在1 3 1 o n 和1 5 5 o n 波长，传输损耗分别为0 5 d b k m 和 0 2 d b k m ，系统最大中继距离可达2 0 0 k i n f 2 3 1 。采用光纤放大器、色散补偿光纤中 继距离还可以增加。 3 ，抗电磁干扰性能好 由于光纤通信系统采用介质波导来传输信号，而且光信号又是集中在光纤的 纤芯中传输的，因此光纤通信具有很强的抗干扰能力。在光纤中传输的光泄露非 6 第二章光纤通信系统和色散补偿技术 常微弱，即使在弯曲地段也无法窃听。没有专用的特殊工具，光纤不能分接，因 此，光纤通信的保密性也非常好【2 4 】。 另外，光纤线径细、重量轻，而且制作光纤的资源非常丰富。 光纤通信由于具有以上的特点，在出现到目前3 0 多年的时间里，得到了迅猛 的发展，在2 1 世纪的信息社会中占据了非常重要的地位。 2 2 光纤中的色散效应 2 2 1 色散的分类 色散是光纤的一个重要参数，它会引起传输信号的畸变，使得通信质量变差， 限制通信的容量和传输距离，在光纤传输损耗已大大降低，特别是在光纤放大器 ( e d f a ) 问世和广泛应用的今天，色散对光纤通信系统的影响显得尤为突出。 光纤色散的产生涉及多方面的原因，大体可分为两类。一类起因于光纤材料、 波导结构和模式结构，这是光纤本征的色散；另一类起因于注入光纤的信号结构， 这是导致产生实际色散的外部条件。归结起来，光纤色散可分为以下几类： ( 1 ) 色度色散。色度色散是光源光谱中不同频率成分在光纤中传输的群时延 差引起的光脉冲展宽现象，它包括材料色散和波导色散。单模光纤中主要就是这 种色散。 ( 2 ) 模式色散。多模光纤中，即使在同一波长，不同模式的传播常数也不同， 由此引起的色散称为模式色散，模式色散是对不同模式、相同波长时的色散。 ( 3 ) 偏振模色散。单模光纤中，实际上存在简并的偏振方向正交的两个偏振 模，当光纤存在双折射时，这两个模式的传播速度改变而不相等，由此引起的色 散称为偏振模色散。 多模光纤中，有模式色散、波导色散和材料色散，以模式色散为主。单模光 纤中有色度色散和偏振模色散。 由于本文的仿真模型中使用的是单模光纤并且是对色度色散进行研究，所以， 下- - 4 节将对单模光纤的色度色散的形成进行详细的介绍。 2 2 2 色度色散的形成机制 7 电子科技大学硕士学位论文 如上一节所述，单模光纤中的色度色散是指光源光谱中不同频率( 波长) 的 光波在光纤中传输的群时延差引起的光脉冲展宽现象，它包括材料色散和波导色 散。 在光纤中，信号的不同频率经过同样的传输距离会有不同的时延，由此产生 了时延差，色散越强，时延差越大，信号畸变越严重。常用最大时延差来表示光 纤的色散程度，简称时延差。设有频率为f 的已调光载波在光纤中传输，光在光 纤中传输的群速度为k = d 叫妒，为光波传输常数，国为角频率，则经过单位 长度的群时延0 为 铲古= 鬈i i 望d k o = ( 一封等 协- ， 上述三个等式是等效的，分别表示群时延f g 随频率国、波数和波长旯的变化，c 为真空中的光速。 信号各频率成分的时延不同，时延差可由信号各频率成分传输速度不同引起， 也可由各模式传输速度差引起脉冲展宽。若光源谱宽为a w ( a 乇) ，则经过单位长度 光纤传输后的群时延差或脉冲展宽f g ( p 砌) 可近似为 k = 缈( d 删= 缈( d 2 2 ) = 阻c 、1 , 丝c o o0 2 d 国2 ) = ( 一是) ( 2 砷掀棚2 新) 协2 ) 通常也用色散参数d 表示光纤的色散，它定义为两个波长间隔为1 r i m 的光经过单 位长度光纤产生的时延，其单位为p s ( n m i o n ) ，即 d ：生 旯 ( 2 - 3 ) 用最大时延差来描述光纤的色散引起的脉冲展宽是比较直观的，但是比较粗糙。 在介绍了光纤色散的表示方法后，下面主要介绍单模光纤的色度色散。 第二章光纤通信系统和色散补偿技术 单模光纤的色度色散包含两个因素产生的色散，即材料色散和波导色散，因 为单模光纤的色度色散以材料色散为主，所以此处只对材料色散进行介绍。材料 色散可通过分析均匀介质中平面波的传播特性得到，此时 卢= 七。万= 竿万( 2 _ 4 ) 由式( 2 1 ) 可知，由材料色散产生的群时延为 铲昙等= * 旯嘉) ， 经过一系列的运算最后可推导出材料色散参数为 巩= 一丢五窘 ( 2 6 ) 可见，材料色散参数d u 决定于光纤材料折射率n 对波长的二阶导数。 光纤材料的折射率n 随波长的变化规律，可利用介电材料的简谐振子受迫振 荡理论和实验数据，通过折射率的赛尔梅耶尔( s e l l m e i e r ) 多项式【2 5 】 以州+ y 格2 2 求得。式中：q 为石英材料的共振频率；b j 为振动强度。通过( 2 7 ) 式可以解得1 1 的各阶导数，即 塑：一生罗竺( 2 - 8 ) 一= = 一一7 一 j d g , ，l 鲁( ；一c 0 2 ) 2 7 丽d 2 n = 壤等饼 弦9 ， 将式( 2 9 ) 代入式( 2 6 ) 即可计算得到材料色散参数巩。 2 2 3 色度色散对系统的影响 电子科技大学硕士学位论文 前面已经提到过，色度色散会引起码间串扰，随着传输距离的增加色散会越来 越严重，严重影响光纤通信系统的性能。下面通过眼圈直观地显示色度色散对系 统的影响。 图2 - 2 传输距离与眼图的关系 图2 - 2 是码速率为1 0 g b i t s ，单模光纤中传输，无再生的情况下传输距离和眼 图的关系。左边的图表示的是传输距离为0 k m ，也就是没有色散影响时的眼圈。 右图为传输距离为1 0 0 1 0 n 时的眼图，可以明显地看出随着传输距离增加色散已经 使得眼图的逐渐闭合，随着传输距离的继续增加这种影响会更严重，并导致眼图 的最终关闭。所以要在光纤中进行长距离有效传输必须对色散进行补偿。 2 3 光域色散补偿技术 本节将对传统的光域色散补偿技术中两种主要的技术进行介绍，分别是色散 补偿光纤技术和光纤光栅补偿技术，对它们的优缺点进行说明。 2 3l 色散补偿光纤技术 使用色散补偿光纤( d c f ) 来补偿色散的思想早在1 9 8 0 年就已提出，但是因 为d c f 在补偿色散的同时会产生副作用，它的衰减系数比普通的光纤大补偿的 第二章光纤通信系统和色散补偿技术 色散量越大，需要的色散补偿光纤越长，同时对线路增加的附加衰减越大。所以 直到1 9 9 0 年e d f a 的出现才加速了色散补偿光纤的发展进程。光域色散补偿技术 中，色散补偿光纤的技术比较成熟，是现在常用的色散补偿技术。色散补偿光纤 的基本原理是用负色散去抵消一般光纤中的正色散。比如1 5 5 a m 光纤的色散为色 正的( 1 7 2 0 ) p s ( n m k m ) 【2 6 】，色散补偿光纤就是通过引入负的色散使得光纤的 总色散接近于零。色散补偿光纤能得到大量的应用是因为它具有以下的优点： 1 色散补偿光纤是一种无源器件，可放在光纤线路中的任何位置，安装 灵活方便。 2 能实现宽带色散补偿和一阶色散、二阶色散全补偿，光学特性稳定。 3 可与1 31 脚零色散标准单模光纤兼容，适当控制d c f 的模场直径、 改善熔接技术，能够得到较小的插入损耗。 但是d c f 也有很多的缺点，具体如下： 1 一般的d c f 芯径都比较小( 大约4 - 5 a m ) ，容易产生非线性效应，为 了抑制补偿光纤自身的非线性效应，补偿光纤的补偿能力就要受到限 制。 2 衰减系数大，1 2 3 k m 将引入约5 6 d b 的衰减需要e d f a 的增益来补偿 【2 7 】 o 3 基于d c f 补偿器体积很大。 4 d c f 的色散量不可调。不同类型的光纤需要不同类型的d c f 。 这些都导致d c f 的应用受到限制。 2 3 2 光纤光栅色散补偿技术 与d c f 一样，光纤光栅也是一种无源色散补偿技术。但是光纤光栅补偿模块 体积小、损耗低、不易受非线性效应影响、无偏振相关性。尤其是啁啾光纤光栅 色散补偿器件受到高度重视。通常认为光纤光栅只适用于窄带补偿。从研制水平 而言，光纤布拉格光栅的补偿带宽达到了2 2 5 n m ，色散补偿量为8 0 p s n m ；啁啾 光纤光栅补偿带宽超过1 8 r i m ，并成功地用于4 0 g b w s x 4 、7 5 k m 和1 0 g b i f f s x 3 2 、 3 7 5 k m 的实验传输系统。 2 4 电域色散均衡技术 电子科技大学硕士学位论文 与前面讲到的光域色散补偿技术不同，本节所讲到的电域均衡技术是将光纤 通信系统中光信号转换为电信号，然后在电域中进行的对抗码间串扰问题的一种 有效的技术。首先对均衡技术进行介绍，然后给出均衡器的分类，并对当前常用 的三种电域均衡器做简单介绍。 2 4 1 均衡 在无失真传输系统中，输出信号较之于输入信号，会有一定的幅度差异或是 时间延迟，但是却没有失真，即输入波形和输出波形是相同的。由此，对于理想 的无失真传输系统，输出信号和输入信号的关系为： y ( 力= 厶o t o ) ( 2 1 0 ) 式中，a 为常数，表示的是输出信号与输入信号幅度的差异，气为时间延迟，对上 式作傅里叶变换可得： 】，= a x ( f ) e x p ( - j 2 n 3 偿o ) ( 2 - 1 1 ) 进而可推出 器一k x p ( 川引 ( 2 - 1 2 ) 即无失真传输系统的频域传递函数日u ) 为： 日( 门= k e x p ( 一j 2 斫。) ( 2 1 3 ) 由上式可以看出，在无失真传输系统的全部响应中，幅频响应必须为常数， 相频响应必须为频率的线性函数2 引。由上式可以，理想无失真系统的带宽是无限 的，因此实际中是无法实现的。真实的传输系统的带宽总是有限的，根据傅里叶 变化的知识可知，频域受限的系统，其时域响应是无限的，也就是说时域的波形 会出现严重的拖尾，占据相邻码元间隔，从而干扰信号检测过程，进而影响系统 的传输性能，这类干扰称为码间串扰( i s i ) 。本章讨论的均衡技术就是一种消除或 减少码间串扰的信号处理或滤波技术。 1 2 第二章光纤通信系统和色散补偿技术 2 4 2 均衡器分类 均衡器可以分为两大类。第一类是均衡滤波器，即用滤波器补偿信号失真。 在这类均衡器中，解调样值序列经均衡器消除码间串扰( i s i ) 后输入检测器。第 二类是最大似然序列估计( m l s e ) 。下一节将对最大似然序列估计( m l s e ) 做出 详细的介绍。下面对第一类的均衡滤波器进行简单介绍。 线性横向滤波器 线性横向滤波器( f f e ) 结构简单，容易实现。如图2 3 所示，线性横向滤波 器是多个抽头延迟单元的组合，它包含一条每隔t 秒( t 为码元间隔) 抽头的延 时线。在这种均衡器中，接收信号的过去值和现在值是抽头系数c 。的线性加权， 均衡器的输出是这些值之和。如果滤波器有无穷多个抽头，适当选择抽头系数就 可以强迫冲激相应仅在一个采样点上不为零。显然无限长滤波器是不可实现的， 但是可以设计逼近理想情况的实际滤波器。主要有两种方法，迫零法和最小均方 误差法。 图2 - 3 线性横向滤波器模型 判决反馈均衡器 线性横向滤波器的重大局限是，对于存在零点频谱的信道，其效果很差【2 9 1 。 判决反馈均衡器( d f e ) 是一种非线性均衡器，它利用先前码元的判决结果来消除 当前码元的码间串扰。 图2 4 是一个判决反馈均衡器的简图，如图所示，判决反馈滤波器是在线性均 衡器的基础上，加上了反馈支路，以提高均衡性能。判决反馈滤波器的基本思路 是：当前码元受到的i s i 来自其先前码元的拖尾干扰和其后码元的前导干扰，因此， 1 3 电子科技大学硕士学位论文 当检测并判定出一个码元后，就可在检测后续源码之前预测并消除由这个当前码 元对后续码元产生的i s i 。判决反馈均衡器的主要问题在于已有的判决结果出错时， 会导致错误向后传播。 2 4 3m l s e 均衡技术 图2 4 判决反馈均衡器模型 在均衡器分类中简单介绍了线性横向滤波器和判决反馈均衡器的原理。随着 f f e 和d f e 均衡技术研究的深入和完善，人们也逐渐意识到这两种均衡技术虽然 能够在一定程度上改善光纤色散效应的影响，但是当累积色散进一步增大时，f f e 和d f e 均衡器将最终失效。而最大似然序列估计却显示了良好的性能【3 0 4 3 7 】。本节 将对m l s e 均衡技术的工作原理进行介绍。 假设我们发送n 个信号通过信道进行传输，最后接收端对收到的波形采样得 到了n 个输出信号，这n 个输出信号通过信道的中各种因素的影响已经不可能和 发送的n 个信号完全相同，我们怎样通过这n 个输出信号中所含的信息还原出发 送信号呢? 最大似然序列估计是这样做的，虽然接收端并不知道n 个发送信号到 底是什么，但是可以知道发送端的n 个信号有2 一种可能的发送序列，最大似然序 列估计就是从这2 撑个可能的发送序列中找出与输出信号相似度最大的一个序列， 将其作为最后还原出来的发送序列。可见最大似然序列估计使用了全部n 个输出 信号中包含的有用信息，是对整个序列的判决【3 8 1 。对于相似度的计算，和整个m l s e 算法的实现将在第三章结合本文的仿真系统给出更详尽的说明。 2 5 本章小结 1 4 第二章光纤通信系统和色散补偿技术 本章首先对光纤通信的基本理论、特点进行了简单介绍，在此基础上对光纤 通信系统的传输距离和容量造成重要影响的色度色散进行了详细分析，主要介绍 了单模光纤的色度色散的形成机制、对系统造成的损害以及色度色散的补偿原理。 基于这些讨论最后介绍了色散补偿中一种有效的补偿技术一电域色散均衡技 术，目前国内外电域色散均衡器主要有三种，线性横向滤波器、判决反馈均衡器 和最大似然序列估计器。 电子科技大学硕士学位论文 第三章光纤通信系统中影响m l s e 性能的主要因素的研究 在前面的章节中，我们对光纤通信系统的基本原理进行了介绍，对影响光纤 通信系统性能的一个重要因素色度色散进行了相关的介绍，并分析了目前常用的 色散补偿技术，包括光域的色散补偿技术和电域色散补偿技术。由于光域色散补 偿技术的一些缺点和电域色散补偿技术的优点，使得电域色散技术受到了研究者 的重视，特别是最大似然序列估计均衡器以其优异的性能得到了广泛的研究。本 章将在此基础上，首先提出最大似然序列估计用于补偿光纤通信系统中色度色散 的仿真的模型，然后在这个模型上研究光纤通信系统中影响m l s e 性能的主要因 素，本文的研究重点a d c 对m l s e 性能的影响也属于本章研究的内容，但是本章 只做一个简单介绍，具体深入的研究将放在第四章进行。 3 1 仿真模型介绍 本文在m a t l a b 仿真环境下对高速光纤通信中影响m l s e 性能的因素进行研 究，所以第一步是建立仿真模型。 噪声 西，s h 强度调制 色散 、 光电转换 。、 l 一一一一 采样一 西，s ”l y l ，一y 一多，酬低通滤波器 m l s e i 量化 i i 一一一j l i 图3 - 1 光纤信道中最大似然序列均衡器仿真模型 研究中用到的仿真模型如图3 - l 所示：首先将输入比特序列p ，s 。) 通过光接 1 6 第三章光纤通信系统中影响m l s e 性能的主要因素的研究 收的光电转换转变为光信号，然后将光信号送入光纤进行传输，在传输中模拟了 实际系统中受到的色散效应，之后进入光接收机进行光电转换加入高斯白噪声( 为 什么要加入高斯白噪声会在后面进行详细说明) 。然后通过电域滤波器