（通信与信息系统专业论文）高速dpsk与相干光通信系统研究.pdf

中文摘要 为了满足人们日益增长的带宽需求，在现代高速大容量光传输技术中普遍采 用多进制调制方式以提高光谱利用率。研究表明d p s k 调制方式表现出远优于 o o k 调制方式的传输性能以及更好的抗非线性性能。r z d p s k 被认为是下一代 高速传输系统优先选择的调制方式。 在多进制调制信号的处理方面相干光接收技术和线性光采样的测量技术也 成为光通信领域研究发展的热点。相干光通信系统的接收机灵敏度高，传输的中 继距离长，更有利于充分利用光纤的宽带，提高通信质量。而线性光采样技术是 一种适合于高速p s k 、d p s k 光信号的测量技术，可以利用基于相干检测的线性 光采样技术在高比特速率测量p s k 、d p s k 信号的波形和眼图。 因此有必要对d p s k 调制方式和p s k 、d p s k 信号的相干光检测通信系统进 行深入的探索。本论文对利用双臂m z m 实现d p s k 信号调制，新型数字相干光 接收机系统以及线性光采样技术做了大量的研究，主要工作为以下几点： ( 1 ) 研究了利用双臂m z m 相位调制器调制d p s k 光信号和d p s k 光信号的 m z d i 平衡检测接收的原理。利用o p t i s y s t e m 光仿真软件仿真了d p s k 光信号的 m z m 调制和m z d i 平衡检测接收。 ( 2 ) 研究了相干光检测的基本原理，设计了基于零差检测和d s p 电路的数字相 干接收机的原理图，并推导了相关公式。 ( 3 ) 研究了线性光采样的原理和实现线性光采样的条件以及线性光采样中的 噪声分析，推导了相关公式。 ( 4 ) 设计了线性光采样的实验图，根据实验原理图实现了基于h y b r i d 的线性 光采样仿真。 关键词：d p s k 调制方式相干光检测数字相干光接收机线性光采样 a b s t r a c t i no r d e rt om e e tt h eg r o w i n gb a n d w i d t hn e e d so fp e o p l e ，m - a r ym o d u l a t i o ni s w i d e l yu s e dt oe n h a n c et h es p e c t r u mu t i l i z a t i o ni nt h em o d e mh i g h s p e e da n d l a r g e c a p a c i t yo p t i c a lt r a n s m i s s i o nt e c h n o l o g y i ti sr e p o r t e dt h a tt h ep e r f o r m a n c eo f t h ed p s km o d u l a t i o ni sf a rs u p e r i o rt oo o km o d u l a t i o no nt r a n s m i s s i o na n d r e s i s t a n c et on o n - l i n e a r r z d p s ki sc o n s i d e r e da st h ep r e f e r r e dm o d u l a t i o no ft h e n e x tg e n e r a t i o nh i g h - s p e e dt r a n s m i s s i o ns y s t e m t h ed e v e l o p m e n to fc o h e r e n to p t i c a lr e c e i v e rt e c h n i q u ea n dl i n e a ro p t i c a ls a m p l i n g t e c h n i q u eh a sa t t r a c t e dm o r ea n dm o r ei n t e r e s t i n gi nt h ef i e l do fm - a r ys i g n a l p r o c e s s i n g c o h e r e n to p t i c a lc o m m u n i c a t i o ns y s t e m h a sh i g hs e n s i t i v i t ya n dl o n g t r a n s m i s s i o nd i s t a n c e s oi t i sm o r ec o n d u c i v et ot a k ef u l la d v a n m g eo ff i b e r - o p t i c b r o a d b a n da n di m p r o v et h ec o m m u n i c a t i o nq u a l i t y a n dl i n e a ro p t i c a l s a m p l i n g t e c h n i q u ei ss u i t a b l ef o rt h em e a s u r e m e n to fh i g h - s p e e dp s k ，d p s ko p t i c a ls i g n a l w ec a nm a k eu s eo ft h el i n e a ro p t i c a ls a m p l i n gt e c h n i q u eb a s e do nc o h e r e n td e t e c t i o n t om e a s u r et h ew a v e f o r ma n de y ed i a g r a mo fp s ko rd p s ks i g n a la th i g h b i t - r a t e s o i ti sn e c e s s a r yt od oi n d e p t hs t u d yo nt h ed p s km o d u l a t i o na n dc o h e r e n to p t i c a l d e t e c t i o ns y s t e m so fp s ko rd p s ks i g n a l t h em a i nr e s e a r c ho ft h i sd i s s e r t a t i o ni s o nt h et o p i co ft h ei m p l e m e n t i o no ft h ed p s ks i g n a lm o d u l a t i o nu s i n gd u a l a r m m z m ，n e wd i g i t a lc o h e r e n tr e c e i v e ra n dl i n e a ro p t i c ls a m p l i n gt e c h n i q u e t h e r e s e a r c hw o r k sa r el i s t e da st h ef o l l o w i n g ( 1 ) r e s e a r c ho nt h ei m p l e m e n t i o no ft h ed p s ks i g n a lm o d u l a t i o n u s i n g d u a l a r mm z ma n dt h em z d lb a l a n c ed e t e c t i o nr e c e i v e ro ft h ed p s k s i g n a l s i m u l a t et h em z mm o d u l a t i o na n dm z d ib a l a n c e dd e t e c t i o n r e c e i v e ro ft h ed p s ks i g n a lu s i n go p t i c a ls i m u l a t i o ns o f f w a r e _ 1 ) 2 嘉a a ( n s p 1 ) (316)mgnm g ，= j 一_ = 一i ( r ii = l if 八 ，2 ( g 1 ) 印r v 由上节分析可知散粒噪声极限的几= r n ，。由于g l ，m 为放大器个数，因此 可见a s e 噪声在e d f a 光传输系统中产生主要影响。 下图3 - 9 为无中继的传输中，输出信号为n 。聊g ，信号严重衰减。 一一一 。u 吣啪a i 叫脚g v a c u u mf l u c t u a t io n ：1 天津大学硕士学位论文第三章相干光接收系统 另外一点是由于技术难题：外差接收机需要一个比信号比特率高的多的中 频；零差接收机本质上是一个基带接收机，然而稳定锁定相位偏移的设备的复杂 阻碍了他的实际应用。 然而随着w d m 系统传输能力的增长，近年来相干光技术又重新引起人们 注意。目的在于利用基于相干技术的多电平调制格式找到满足日益增长的带宽需 求的方法。图3 1 0 t l 】所示为谱效率与信噪比的关系，可见在谱效率和m 值相同 的情况下d p s k 调制方式的信噪比最高；并且在各种调制方式下m 值越大就越 接近信道容量的极限，可见多电平调制格式是解决单信道传输容量的有效方法， 如图3 11 所示。 图3 一1 0 多进制调制方式谱效率与信噪比的关系 u 图3 1l 多进制调制格式的信噪比规律 天津大学硕士学位论文 第三章相干光接收系统 因此2 0 0 0 年后出现了很多d p s k 和d q p s k 系统的报到，这其中都用到了光延 迟检测解调方式，如2 3 中提到的d p s k 光信号的m z d i 接收。在2 0 0 5 年，日本东 京大学的实验小组利用“数字零差接收机”完成7 2 0 g b i v sq p s k 信号的解调， 这里用数字载波相位估计的方法克服了o p l l 的技术难题并且具备了所有相干检 测的优点。 以上述两点为基础，新一代的相干光通信系统就诞生了。 3 3 2 数字相干接收机的概念和基本原理 数字相干接收机主要是是通过相位& 偏振分集接收和a d c d s p 电路实现 的，如图3 1 2 所示。 y 图3 1 2 数字相干接收机原理图 其中载波相位跟踪和偏振校准都可以在数字域，即d s p 中实现。图3 1 3 是 根据原理图设计的单偏振态数字相干接收机。 d 无律大学硕士学位论文 第二章相干光接收系统 图3 1 3 单偏振恋数字相干接收机设计圈 经过两路平衡榆测得到的i 信号和q 信号输八a d 转换器，然后提取时钟 对失真进行补偿，再对载波相位偏移进行估计，最后对信号进行解码。其中数字 相干接收机光路部分的搭建如图3 1 4 3 一1 5 所示。图3 - 1 4 所示是光波导类型的 集成9 0 。h y b r i d 。它的核心部分是使本振光相位偏移9 0 度的相位偏移器。 s i g n a l w a v e q u i d eh p e l o 图3 - 1 4 光波导夔成9 0 “h y b r i d 图3 1 5 所示是利用偏振无关实现的相干光接收系统。这里q w p 是四分之波片。 四分之破片的作用是，可以对一个方向( 假设为x 1 的偏振电矢量产生越相移， 而对与它垂直方向( 假设为y ) 的电矢量没有任何作用。所以这里使信号光沿x 和 y 的角平分线方向通过1 “波片于是出射光线就是一束有两种偏振方向垂直，相 位差以的偏振光台成的光线了，也就是所谓的圆偏振光，h m 是与偏振无关的 半透镜。信号光通过q w p 后与本振光l o 在h m 处耦台，相当于两种偏振方向 天津大学硕士学位论文第三章相干光接收系统 垂直的信号光( 相位相差n 2 ) 分别与l o 耦合得n - 1 e l = 1 、e 。+ e o ) ( 3 1 7 ) 1 易= ：、e 。一巨d ) ( 3 1 8 ) 二 层= i 、e ，+ ) ( 3 1 9 ) e = i 、e ，一成d ) ( 3 2 0 ) 经过p b s 偏振分束器后，巨与毛分离，丘与e 分离。最后巨与丘经过p d l 后 得到i 幅度信息： l ( t ) - - r c i oc o s ( f ) 一( f ) ) ( 3 2 1 ) e 与毛经过p d 2 后得到q 幅度信息： 乇( t ) = r 只置ds i n ( f ) 一皖d ( f ) ) ( 3 2 2 ) 此系统的特点是利用q w p 使信号光变成两种偏振状态垂直且相位相差r d 2 的光， 有利于进行i q 调制。而利用h m 做相干检测光耦合器可以使两路信号偏振光分 别与i 。o 耦合。 s i g n 札 l o 图3 1 5 基于偏振无关的相干接收系统原理图 以上介绍的是单偏振状态数字相干接收机的原理，下面来介绍偏振和相位分集接 收零差相干接收机，如图3 1 6 所示。 3 2 天津大学硕士学位论文第三章相干光接收系统 9 0 o p t i c a l h y b r i d 式 f i x e dp o l 9 0 o d t i c a i h y b r i d 图3 - 1 6 偏振和相位分集接收零差相干接收机 首先来介绍下光纤传输的琼斯矩阵，这反映了偏振信号和源信号的关系，如 ( 跏钓 御，= f 拦苗 谢删波动 实现偏振分集的原理如下 本振l o 经过p b s 后得： 酬= 万1 阱a m 慨。 x 路的信号光和本振进入9 0 9 o p t i c a lh y b r i d 后得： ；( 丘t 击) 岛= ； 匕t 舌) 同理y 路的信号光和本振进入9 0 。o p t i c a lh y b r i d 后得 ( 3 2 4 ) ( 32 5 ) r 3 2 7 ) ( 32 8 ) _-j丰-+-丰-+_丰上_j丰 天津大学硕士学位论文第二章相干光接收系统 = 吉( 击臣。) 氏= 浆击) 1 p d l - - - - - r 降c o s 吨( f ) w ) k = 一半s i n 吨( r ) 谰 i e m = r 降c o s 一叭) ) 1 p d 4 = - r 降2 s i n 一嘶) ) ( 3 2 9 ) ( 3 3 0 ) ( 3 3 1 ) ( 3 3 2 ) ( 3 3 3 ) ( 3 3 4 ) 最后分别得到x 路和y 路的i q 信号如式( 3 3 5 ) ，( 3 3 6 ) ，完成偏振和相位分集接 收。 l ( t ) = 。( f ) + 2 ( t ) ( 3 3 5 ) k ( t ) = i e d 。( f ) + 。( t ) ( 3 3 6 ) 偏振和相位分集接收的信号通过d s p 电路进行处理，如图3 1 7 所示。这是 目前较成熟的d s p 算法，功能多样，包括：载波相位估计，色散与偏振模色散 补偿，偏振解复用，时钟提取等功能。但受限于电处理速度，目前最高只能做到 11 g b s 的实时处理，大部分情况还只能是离线处理。 s i g 怕i sf r o mp h a s e a n dd o l a t l 铀l l o nt t l v e r 暨r e c 窟v 甘 厂人弋i d a t a o u t 图3 1 7d s p 电路处理流程图 天津大学硕士学位论文第三章相干光接收系统 3 3 3 光数字相干接收机的载波相位估计 由于锁定本振相位到信号相位的光锁相环仍难以实现，载波相位偏移产生的 相位噪声严重阻碍了光零差相干接收机的实际应用。随着d s p 电路变得越来越 快，这就提供给我们一个简单和有效的方法来估计载波相位偏移利用d s p 电路估计载波相位偏移。同时这也是本文新型数字相干接收机的核心部分，它解 决了光零差相干接收机实际应用的难题。 图3 1 8 所示是利用载波相位估计来消除相位噪声的例子。左图是传输信号； 中图为受到相位噪声影响的接收信号；右图是经过相位偏移估计后消除了相位噪 声后的信号。 图3 1 8 利用载波相位估计消除相位噪声 q p s k 的载波相位估计如图3 1 9 所示。接收到的电流信号： ，芘e x p 一( 眈删+ 舅础) ) ，见咖，= o ，a 2 ，万，3 ，r 2 ( 3 3 7 ) 将功率扩大四倍得到： ，4 芘e x p 一( 4 既恤) )( 3 3 8 ) 这样就可得到噪声的相位，然后利用噪声相位就可估计出信号的相位， 如式( 3 3 0 ) ： l o ce x p - j ( 8 , i s , “+ 气妇一气船】o ce x p 一仅枷办，= o ，万2 ，万，3 l r l 2 ( 3 3 9 ) 天津大学硕士学位论文第三章相干光接收系统 2 j 久曼 r t hp o w e 】? _ 、4 ： 乙。 图3 - 1 9q p s k 的载波相位估计 根据原理设计的载波相位估计数字电路如图3 2 0 所示。 1， i 一 ， l 图3 2 0 载波相位估计数字电路设计图 输入信号为： e o r ) = ee x p ， 见( f 丁) + 或o 丁) ) 通过相位估计模块首先得到： e ? = e ? e x p j m 酿( i t ) ( 3 4 0 ) ( 3 4 1 ) 因为m g o ) = 2 n z 。然后进行a r g 变换得到m 包( f 丁) 最后输出眈= 醵石丁) 。与 矽= 见( f 丁) + 见o r ) 相减得到眈( f r ) ，最后通过d e c o d i n g 模块得到输出信号，完 成了载波相位估计补偿。 下面是设计的一种有反馈功能的自适应载波相位估计算法，其原理框图如图 3 2 1 所示。图中i ( n ) 是接收到的信号： ，( 胛) = 彳( 胛) e x p 卜 咖，+ 吃咖) ( 3 4 2 ) 用c g ) ，g ) 接近解码信号d ( n ) ，误差为： p g ) = d 0 ) 一c 0 ) ，g ) ( 3 4 3 ) 通过l m s 算法更新系数得： c ( n + 1 ) = c g ) + ”p o v + g ) ( 3 。4 4 ) 天津大学硕士学位论文第三章相干光接收系统 通过不断调整系数c ( n ) i g 差e ( n ) t j 、于判决的阈值，得到输出信号砜习。 t r r i n i n gm o d e ：啄哪 一- 图3 2 l 自适应载波相位估计算法 利用上述算法对零差数字相干接收机仿真得到多进制调制信号在lo g b s 速率下 接收的误码率特性，如图3 2 2 所示。可见利用零差数字相干接收机可接近散粒 噪声的灵敏度。 ，、 叱 山 、_ ，。 一 o r e c e i v e dp o w e r d b m 图3 2 2 接收信号误码率特性 3 3 4 数字相干接收机中的补偿技术 本节介绍数字相干接收机中的补偿技术，在电域对接收到的信号进行补偿也 是数字相干接收机的一大特色。下面分别介绍这些补偿技术。 群速度色散( g v d ，g r o u pv e l o c i t yd i s p e r s i o n ) 在高速大容量的光纤通信中， 由于光纤介质表现出非线性，光脉冲包络的形状会发生变化，这种影响光信号接 收的变化就称为群速度色散，群速度色散会引起传输波形的展宽。 3 7 天津大学硕士学位论文第三章相干光接收系统 f i b e r 图3 - 2 3 群色度色散( g v d ) 根据群色度色散的特点可以设计一个f i r 滤波器对内部码间串扰( i s i ) 进行 均衡，如图3 2 4 所示。 t r a n s f e rf u n c t i o n l n v e r s e v tu c3 y j u ；i c o h e r e n t ih ( 动卜 d e t e c t i o n 叫h 7 ( 妫i 图3 - 2 4f i r 滤波器均衡内部码间串扰( i s i ) 数字f i r 滤波器原理图如3 2 5 所示。其中输出如式： y g ) = q g 砖0 一f ) x ( n ) t n p 忻 】，0 ) = h 。1 0 p 0 ) 图3 2 5 数字数字f i r 滤波器原理图 利用数字f i r 滤波器设计的自适应均衡算法如图3 2 6 所示。 ( 3 4 5 ) ( 3 4 6 ) o u t p u t 天津大学硕士学位论文第三章相干光接收系统 其中： 贾( 刀) l m s 算法如式( 3 4 9 ) ： 图3 2 6 自适应均衡算法 七 y g ) = q o k 0 一f ) i - - o 工f 疗1 x ( n - 1 ) x ( n - k + 1 了( 玎- k ) 岛 疗 c l ( 玎) c t 一，f v ) q 引 ( 3 4 7 ) ( 3 4 8 ) f 孑( ，卜 1 ) = 于( ，7 ) + 拶( ”) j ( ) 。 【p ( 珂) = d ( ) 一互( 门) 。贾( ”)( 3 4 9 ) 相干接收机的偏振灵敏也是传统的相干接收机的一个严重的缺点之一。然而， 这个难题已经被将偏振分集引入数字相干接收机的技术克服，偏振校对可以在数 字域进行。而且这已经被证实能使传输能力加倍。 下面介绍利用最大比合并算法来实现偏振校对，其原理如图3 2 7 所示。 e h 巨， 图3 2 7 最大合并比算法原理图 首先利用e h 和e v 得出比率： 3 9 天津大学硕士学位论文第三章相干光接收系统 然后求和得到： 酬= 器 ( 3 5 0 ) ，( f r ) = 丽1 荟l 虹( m ) 丁 ( 3 5 1 ) 利用r 得出偏振的波动参数： 最后得出： ( 3 5 2 ) t ( f 7 _ ) = ，e n + 磊，( 口( ) 5 ) o r e ( ，) ：，+ 臣，r 口 ( 5 ) ( 3 5 3 ) 文e h i t ) e 啊+ 岖磊队m = e ； 偏振模式色散指单模光纤中偏振色散，简称p m d ( = p o l a r i z a t i o nm o d e d i s p e r s i o n ) ，起因于实际的单模光纤中基模含有两个相互垂直的偏振模，沿光 纤传播过程中，由于光纤难免受到外部的作用，如温度和压力等因素变化或扰动， 使得两模式发生耦合，并且它们的传播速度也不尽相同，从而导致光脉冲展宽， 展宽量也不确定，便相当于随机的色散。随着传输速率的提高，该色散对通信系 统的影响愈来愈明，而且越来越不可低估。图3 2 8 是利用f i r 滤波器设计的数字 相干接收机中的p m d 补偿原理图。 岳 天津大学硕士学位论文第三章相干光接收系统 c x ( n ) ? 一一一一一一一一一j ： ，一奄! l ( n ) 二厂- 、一lp h a s ejn 。 e i ，、l i 尸j c r 广弋y。ie s ；丢i l7 i u e c 瞄旧n 厂_ 剖 _ 翔l：i ，一卜、 。lp h a s e1 。f l ，7 厂 7 le 劬m 蛐 。二_ j i 一一一一一一一一一一 占，)图3 2 8p m d 补偿 数字相干接收机还能对光的非线性效应进行补偿。光信号在传输过程由 于折射率随功率变化，引起相位被调制，产生自相位调佑ij(spm)，交叉相制( x p m ) 及四波混频( f w m ) 等 自相位调制(spm)是指光在光纤内传输时光信号强度随时间的变化身 相位的作用。它导致光谱展宽，从而影响系统的。相位噪声由克尔非线性引起，如图3 2 9 a mn o 弋 的作用：单色激光源的电场是一个平稳随机过程，而根据 维纳辛钦定理给出： ( e o ( n r ) e o ( m r ) ) = i l o b ) e x p i c o ( n m 沙枷 ( 4 1 2 ) 这里厶是源的功率谱密度。样本间的相关只有在测量时间( 如测量待测源代表样 本的总时间) 比待测源的相干时间短的情况下才能够获得。相干时间等于谱线宽 度的倒数。因为采样源的周期是t ，所以需要n t 的时间测量n 个样本来获得一 个源的有意义的表示。( 通常n 取1 0 0 到1 0 0 0 ) 。因为时间n t 必须比源的相干 时间小。这个条件可以特殊地通过利用有长相干时间的源来实现，但通常我们感 兴趣的是识别由这个源产生的调制。我们也可以增加采样源的重复速率( 因此减 小t ) ，这种方法更合适，因为他放宽了对待测源的限制。 ( b ) ( e x p i ( o n 一九沛的作用：采样源的频域表示可以通过傅里叶变换计算出如： 孑0 ) = 毒一) e x p ( f ) 0 丁+ 缈)( 4 1 3 ) 这里c 是以2 万为周期的函数： 0 妙) = e x p ( i n q ) e x p ( i c i u ) ( 4 1 4 ) 因此采样光源的光谱为： 5 s 如) = 厶妇一鳓) l o 丁+ 伊) l ( 4 1 5 ) 采样源的光谱是由采样序列中一个脉冲的光谱 这些谱线是狄拉克函数( 单位脉冲函数) 如果没有相位波动在采样脉冲序列中， 但在一般情况下他们有有限的带宽。假设脉冲序列是遍历和稳定的，就能计算出 每个谱线的光谱形状利用： 刮2 2 莓e x p i n 小x p 一丸浊 ( 4 1 6 ) 傅里叶级数的逆变换给出： ( e x p 【f 一九浊= ( e x p b 一一吮冷= j 1 0 ) 1 2 e x p - i ( m 一砂p 4 1 7 4 9 天津大学硕士学位论文第四章线性光采样技术研究 这里积分在i o ，2 n i 区间被执行。 因此样本相关只要他们的测量时间比从采样激光器周期梳状滤出的一个谱线的 相干时间短( 其中一个谱线的宽度的倒数) 。 ( 2 ) 来自a d 转换的噪声：信号s 。和& 的a d 转换可以成为噪声源。因为样 本是s = s 删+ i s 蹦，复数量s 的标准差是2 叽，d ，这里吼，d 是其中一个采样 正交积的方差，假设两路信号间的电子噪声不相关。与a d 转换噪声相比模数 大很多的样本的模的标准差和样本的相位能够通过式( 4 1 8 ) ，( 4 1 9 ) 计算。 吒2o a d a p = oo p ( 4 1 8 ) ( 4 1 9 ) ( 3 ) 实验装置的缺陷：实验装置中的缺陷，比如不对等的光的分离和重组比率 或者信号邑和& 间不合适的相位差值都能够获得后在数字处理过程中校正。 天津大学硕士学位论文第五章线性光采样仿真 第五章线性光采样仿真 5 1 线性光采样实验原理 第四章中介绍了线性光采样的原理和噪声的测量分析。下面是根据第四章的 理论提出的线性光采样实验图，如图5 - 1 。这是基于零差检测的方法，l 0 变成窄 脉冲光源。这个实验需要采样脉冲的光谱的幅度与相位平坦性很高，即要求采样 脉冲宽度很窄。而p d 只要求有一个比采样脉冲源的重复率高的带宽。线性光采 样系统与相干光解调系统相比实验难度有所降低，可以实现实时取样。利用此实 验图搭建的装置可以测量出4 0 g b s b p s k 信号和4 2 7 g b s q p s k 信号的星座图， 而且对于更高比特速率的信号可以通过提高本振的带宽来测量。因此更复杂或者 更高速率的信号也能通过微小的改变来实现。 图5 1 线性光采样实验图 5 2 基于h y b r i d 的线性光采样仿真 t r i g g e r - i i l 5 2 1 利用相位调制器产生的p s k 信号的线性光采样仿真 曰 本仿真基于集成h y b r i d ，集成h y b r i d 结构如图5 - 2 所示，其原理在第三章 天津大学硕士学位论文第五章线性光采样仿真 中已具体介绍在此不再赘述。本仿真的总体流程如图5 - 3 所示。其中利用两个功 率分束器两个耦台器和一个相位偏移器来实现h y b r i d 。待测信号源采用1 0 g b s 的n r z - b p s k 信号，其波形如图5 4 所示。出于实验的简单性选择n r z 码形， 因为在传输过程中没有脉冲整形阶段。而且脉冲整形是一个周期调制，因此不会 引入波动，不在本仿真的讨论范围之内。为了保证采样脉冲宽度足够窄，本文中 的仿真都采用了脉冲序列发生模块产生采样脉冲，产生的脉冲接近理想脉冲，脉 冲的波形如图5 5 所示。此外平衡检测模块由两个p i n 模块和电信号减法器组成。 s i g n a l l o 圈$ - i 蔓成h y b c l d 结构图 皑= 磐皇凰+ 科、 ” = 二二= = ；赢”! = ： 雨一藤c _ 一魅：、鼍二姗 蕊j 船2 。”。1 一 二= ；! 哞二= o 一。 匿驾；l l 匡= ， 垣 图5 - 2 基于集成h y b r i d 的线性光采样仿真流程图 天津大学硕士学位论文 第五章线性光采样仿真 ；i 掌a di d b ：| 0 爿 塑! ! ! ! ! 图5 3 待测p s k 信号波形图 图5 - 4 采样脉冲波形图 t i n e i m i t - ：f j ：n 口：1 2 巧g t - 0 0 8 s t t a - t ：卜7s 7 6 - 0 0 9 - s t o p ：i 58 1 7 t - 0 0 8 ， h p l i t l 山 l n i t ：r 习 ：1 00 0 1 2 0 3 4 - i n ：两百最赢吾- q - j a u d ”i s - 一一 f 一f nt ；i 础i a d 杖：p爿 t i - 陋t s ：j ：n t r ：1 2 5 5 9 e 一0 0 8 s t t r t ：研了蔽鬲百t s t o p ：1 58 t e - 0 0 8 l m l - l i t u d , u m t = ：矿习 - 。：可面矿 _ - 。_ 。_ - _ 一 - i n ： - 00 0 0 2 0 3 3 5 广h 1 y l i l 一一 r ：? r f ，一： 当采样重复率为1 0 g h z 时，相位差为1 8 0 度的b p s k 信号采样后的星座图如 图5 5 所示。相位差为9 0 度的b p s k 信号采样后的星座图如图5 - 6 所示。 5 3 天津大学硕士学位论文第五章线性光采样仿真 ；i c n , 1h k ：1 0 爿 坚! ：三：!| _ ，1 i t “一 h x ：茚百而磊r - t i i n ：1 0 0 0 1 1 3 8 4l t 蛔1 i t u “ - “：1 00 0 0 3 3 4 2i t _ i a ：t - o 0 0 0 3 4 6 6 8l u 图5 - 5 相位差为1 8 0 度的b p s k 信号采样后的星座图( 采样率1 0 g i - - i z ) ；i 础h d “：| 0 爿 些! ! ! ! ! l i n p l i t u d e ：一 - “：两百丽讦矿。u i n ：舔蕊i 苦r 乜 呻1 i r u d e 一一 i a ：1 0 0 0 1 1 2 0 3t 乜 i a ：f 0 0 0 0 4 1 3 5 2l 图5 - 6 相位差为9 0 度的b p s k 信号采样后的星座图( 采样率1 0 g h z ) 当采样重复率为i o m h z 时，相位差为18 0 度的b p s k 信号采样后的星座图 如图5 7 所示。相位差为9 0 度的b p s k 信号采样后的星座图如图5 - 8 所示。可 见当采样率较低时也能获得较好的样本信号，这就降低了对采样脉冲速率的要求 和p i n 带宽的要求，以及后续处理的a d 电路的速率要求。 天津大学硕士学位论文 第五章线性光采样仿真 ；i 神1 a t d a ：j 0爿 竺! 坠j - p 1 “u “ + i h x ：卜1 1 3 8 4 e - 0 0 l t l i n ：1 1 1 3 8 4 - 0 0 0l n 呻1 i t u “一 i l u ：1 6 8 0 0 7 e - - 0 0 9l n i l i n ：卜3 ”4 2 t 一0 供ln 图5 7 相位差为1 8 0 度的b p s k 信号采样后的星座图( 采样率1 0 m h z ) ；i 础i n d 怯：厂耄 坚! ! ! ! !j j 唧1 ir u d e ”一一 “： 一10 7 4 s e - 0 0 e h 轧 毗n ： 1 5 1 7 2 e 0 0 9 也 ，1 it e 一 - _ _ _ - _ _ _ _ - - - _ _ - _ _ - _ - _ - _ - _ 一 i l u ： 1 1 2 0 s e 0 0 8i t , n i l i a ： - 4 1 5 9 2 e 咖e 也 图5 8 相位差为9 0 度的b p s k 信号采样后的星座图( 采样率1 0 m h z ) 5 2 2 利用双臂m z m 调制器产生的p s k 信号的线性光采样仿真 将5 2 1 中的待测信号部分改装成由双臂m z m 调制器产生p s k 信号得到本 仿真的流程图，如图5 - 9 。双臂m z m 调制器两臂加相反电压产生p s k 信号，其 原理和仿真模块说明在本文第二章中已经详细介绍，在此不再赘述。产生的 1 0 g b sn r z p s k 波形如图5 1 0 所示。 天津大学硕士学位论文第五章线性光采样仿真 图5 - 9 利用双臂m z m 调制器产生的p s k 信号的线性光采样仿真流程图 d b la i c ko no b j e c t st o0 0 e np r o l o e r t e s m o v eo l o l e c t sw i t hm o u s e 【 01 0 n2 0n3 0 n4 0 n5 0 n 01 0 n2 0 1 33 0 1 3 4 0 1 3 5 0 n 口 o o o ；i 口1z n a “：1 0 皇 蛔t os t l t i m e 一一”。一v t 恤t s ；s ：n t h ：；2 5 5 9 9 e 一8 s t f t ：! - 7 5 7 6 7 e - 0 供 s t o p ：1 5 8 t t 5 e 0 0 8 s a = r p l l t w t e 一n l “：帕0 0 0 1 9 2 1 71 l i i a ：! - 3 ； 4 7 4 e - 0 0 i 广 a z m y s i s r _ ：二。r 图5 1 0 双臂m z m 调制器产生的p s k 信号波形图 当采样重复率为1 0 m h z 时，相位差为1 8 0 度的b p s k 信号采样后的星座图 如图5 1 l 所示。 口o o i _ 、乏h，t，o 天津大学硕士学位论文第五章线性光采样仿真 ；i 础l a c i , x ：i o皇 一“：阳0 0 0 7 5 4 3l u h i n ：酊高矿- - i p l it a c l e i 牲：西藏= 丽。钆 叠i n ：潭j 蕊石：硪tt 图5 1 1 双臂m z m 调制器产生的b p s k 信号( 相位差1 8 0 度) 的采样后的星座图 5 2 3 基于偏振无关实现的h y b r i d 线性光采样仿真 本仿真基于偏振无关实现的h y b r i d ，其结构如图5 1 2 所示。其原理在第三 章中已具体介绍在此不再赘述。本仿真的总体流程如图5 1 3 所示。其中产生的 p s k 信号通过圆偏振模块得到圆偏光，变成两种偏振状态垂直且相位相差n 2 的 光，这里圆偏振模块仿真的是实际实验中的四分之一波片( q w p ) 。然后通过耦合 器使两路信号偏振光分别与采样脉冲耦合，经过p b s 偏振分束器后使i q 信息得 到分离。最后通过平衡检测后得到星座图，如图5 1 4 所示。 s i g n a l l o 图5 1 2 偏振无关实现的h y b r i d 结构图 5 7 天津大学硕士学位论文第五章线性光采样仿真 图5 1 3 基于偏振无关实现的h y b r i d 的线性光采样仿真流程图 ；i 础h 扭： d 爿 a u t os ti _ _ - _ _ _ _ - _ _ _ _ _ - _ _ - _ _ - - _ _ - - _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ - _ - _ _ _ _ - - _ j 。k q o i t u d e 1 1 + 。 m a x ：印0 0 1 1 3 8 4 t i l l 1 00 0 1 1 3 8 3l t 。b p l i t d e i i i t x ：1 22 5 0 3 e - 0 1 9lt i l i a ： 。22 5 0 3 e 0 l e t 图5 1 4 基于偏振无光实现的h y b r i d 线性光采样结果星座图 图5 1 4 所示是当采样重复为1 g h z 时，相位差为1 8 0 度的b p s k 信号采样 后的星座图。从图中可以看出在q 轴处有噪声存在，这是由于o p t i s y s t e m 仿真 软件条件所限无法找到原理图中的半波片模块而用耦合器代替所致。耦合器使直 通臂中的光信号相位不变而交叉臂中相位变化r d 2 ，而半波片不会改变光信号的 相位，这就产生了q 轴处的噪声样本。 但耦合器和半波片都起到分光的作用，都能使两路信号偏振光分别与采样脉 冲耦合，所以本仿真利用耦合器替代了半波片。从得到的星座图看除q 轴处的 噪声外，大部分样本都分布在正确的0 和冗相位处，这就证明了基于偏振无关实 现的h y b r i d 线性光采样的可行性。 天津大学硕士学位论文结束语 结束语 为了满足人们日益增长的带宽需求，在现代高速大容量光传输技术中普遍采 用多进制调制方式以提高光谱利用率。研究表明d p s k 调制方式表现出远优于 o o k 调制方式的传输性能以及更好的抗非线性性能。r z d p s k 被认为是下一代 高速传输系统优先选择的调制方式。 在多进制调制信号的处理方面相干光接收技术和线性光采样的测量技术也 成为光通信领域研究发展的热点。相干光通信系统的接收机灵敏度高，传输的中 继距离长，更有利于充分利用光纤的宽带，提高通信质量。而线性光采样技术是 一种适合于高速p s k 、d p s k 光信号的测量技术，可以利用基于相干检测的线性 光采样技术在高比特速率测量p s k 、d p s k 信号的波形和眼图。 本论文对利用双臂m z m 实现d p s k 信号调制，新型数字相干光接收机系统 以及线性光采样技术做了大量的研究，主要工作如下： ( 1 ) 研究了利用双臂m z m 相位调制器调制d p s k 光信号和d p s k 光信号的 m z d i 平衡检测接收的原理。利用o p t i s y s t e m 光仿真软件仿真了d p s k 光信号的 m z m 调制和m z d i 平衡检测接收。 ( 2 ) 研究了相干光检测的基本原理，设计了基于零差检测和d s p 电路的数字相 干接收机的原理图，并推导了相关公式。 ( 3 ) 研究了线性光采样的原理和实现线性光采样的条件以及线性光采样中的 噪声分析，推导了相关公式。 ( 4 ) 设计了线性光采样的实验图，根据实验原理图实现了基于h y b r i d 的线性 光采样仿真。 由于本人能力，时间，及实验条件所限，对相干光通信系统的研究需要进一 步深入，如： ( 1 ) n 用集成h y b r i d 或搭建自由空间光学h y b r i d 和平衡检测器完成q p s k 信号 的线性光采样实验，并对实验结果进行分析。 ( 2 ) n 用数字处理软件m a t l a b 仿真数字相干接收机的各种补偿技术，并分析结 果。 5 9 天津大学硕士学位论文参考文献 参考文献 【1 】k a z u r ok i k u c h i ，c o h e r e n tt r a n s m i s s i o ns y s t e m s ，e c o c2 0 0 8 ：2 1 - 2 5 【2 c h r i s t o p h ed o r r e r , m o n i t o r i n go fo p t i c a ls i g n a l sf r o mc o n s t e l l a t i o nd i a g r a m s m e a s u r e d w i t hl i n e a r o p t i c a ls a m p l i n g ，j o u r n a lo fl i g h t w a v e t e c h n o l o g y ，v o l2 4 ，n o 1 ，j a n u a r y2 0 0 6 【3 】胡浩，高速光传输与全光信号处理技术的研究，博士，天津大学，2 0 0 8 【4 】4c a b r a c