（电磁场与微波技术专业论文）光传输系统中电域色散补偿技术性能研究.pdf

北京邮电大学硕士研究生论文 意待输系统中电域色截补偿技术性能研究 光传输系统中电域色散补偿技术性能研究 摘要 近年来，随着w d m 系统容量逐渐增大，色散逐渐成为光通信系 统中的制约因素。色散会导致脉宽展宽，并最终产生码问干扰( i s i ) 。 这就要求在光通信系统中加入色散补偿模块。 传统的色散补偿模块以色散补偿光纤为代表，采用这种补偿模块 的补偿器，虽然可以满足色散补偿的需求，但是也存在着很多的缺 点。随着i c 芯片处理速度的提高，人们对电域色散补偿，简称为 e d c ( e 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 n ) 的研究开始升温。 滤波器模块为e d c 内部的关键模块，在e d c 中常用的滤波器模 块为f f e 和d f e 。通过仿真，本文给出了调制格式为o o k ，速率 为1 0 gb i t s 的光通信系统，兼顾性能和复杂度的条件下最适合的 f f e 和d f e 抽头结构。 对比了发送端e d c 和接收端e d c 的性能差异，得出结论：发送 端e d c 的性能优于接收端的e d c ，并且这个优势随着光纤长度的增 加而增大。 很多高级的调制格式，如光双二进制编码( o d b ) 可以增加光通 信系统的传输距离，但是也会对e d c 的性能产生负作用，在速率为 1 0 g b i t s s 的调制格式为o d b 的光通信系统中，对滤波器采用d f e 的e d c 的性能进行了仿真研究，得出结论：在以o d b 为调制格式 的光通信系统孛，d f e 对c d 的补偿效果不佳。 对文献中提到的一种采用非线性抽头的滤波器进行简化，得到基 于f f e 的非线性抽头滤波器，并且通过仿真证明这种结构简化的非 线性抽头滤波器在o d b 这种调制格式下的性能优于普通的d f e 滤 波器。 关键词：电域色散补偿，前向反馈均衡器，判决反馈均衡器，色度 色散，偏振模色散 v 北京邮电大学硕士研究生论文 光传输系统中电域色散补偿技术性能研究 r e s e a r c ho fd i f f e r e n tc a t e g o r i e so f e 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 n a b s t r a c t i l lh i 曲b i tr a t e ( 1 0 gb i f f sa n db e y o n d ) 、d mo p t i c a lt r a n s m i s s i o n s y s t e m s 。t h em a x i m u m l i n kl e n g t ht h a tc a l lb ec o v e r e dw i t h o u tt h en e e d f o r s i g n a lr e g e n e r a t i o ni s l i m i t e db yc h r o m a t i cd i s p e r s i o n ( c d ) a n d p o l a r i z a t i o nm o d ed i s p e r s i o n ( p m d ) i ns i n g l em o d eo p t i c a lf i b e r t h i s w i l lc a u s e o p t i c a lp u l s eb r o a d e n i n g a n d f i n a l l y c a u s e i n t e r - s y m b o l i n t e r f e r e ，s o s o m es o l u t i o n s ( o p t i c a l ，e l e c t r o n i c ) f o r o v e r c o m i n g t h el i m i t a t i o nh a v eb e e np r o p o s e di nt h eo p t i c a ls y s t e m t r a d i t i o n a l d i s p e r s i o nc o m p e n s a t i o n m o d u l ea d o p t st h e p a s s i v e o p t i c a lc o m p o n e n t s t h e s em e t h o d su s el o t so fe x p e n s i v ea n db u l k y o p t i c a le l e m e n t st od ot h ei n v e r s ee f f e c t so ft h ed i s p e r s i o n o nt h e t r a n s m i t t e ds i g n a l t h o u g ht h i sm e t h o dw o r k s ，b u tc o m p a r i n gw i t h e 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 n ，t h e yh a v em a n yd i s a d v a n t a g e s s u c ha st h el e s sa d a p t a b i l i t y a san e wt e c h n o l o g yf o rf i b e rd i s p e r s i o n c o m p e n s a t i o n ，e 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 n ( e d c ) i sg r a d u a l l y b e i n ga p p l i e di np r a c t i c a lp r o j e c t s c o m p e n s a t o ri st h ep r i m a r yc o m p o n e n to fe d c f f ea n dd f e a r e c o m m o n l yu s e d as i m u l a t i o ni sd o n ei n a no p t i c a ls y s t e mw i t h10 g b i t s sa n d0 0 km o d u l a t i o n t h es u i t a b l ef f ea n dd f ea r c h i t e c t u r ei s g i v e nb yt h es i m u l a t i o nr e s u l t si nt h i ss i t u a t i o n c o m p a r e a n c ei s d o n eb e t w e e ne d c t xa n de d c - r x a n dt h e r e s u l t ss h o wt h a tt h ep e r f o r m a n c eo fe d c t xi sb e t t e rt h a ne d c r x a n dt h i ss u p e r i o r i t yi sm o r ea n dm o r ew h e nt h ef i b e rl e n g t hi sl o n g e r a n dl o n g e r s o m ea d v a n c e dm o d u l a t i o n sl i k eo d bc a ne n h a n c et h el e n g t ho f t r a n s m i s s i o nd i s t a n c eo fo p t i c a ls y s t e m b u tt h e s em o d u l a t i o n sc a na l s o i n f l u e n c et h ep e r f o r m a n c eo fe d c t h ep e r f o r m a n c eo fe d ca d o p t s d f ei ss i m u l a t e di n1 0 g b i t s so d bo p t i c a is y s t e m t h er e s u l ts h o w s v i i 北京邮电大学硕士研究生论文光传输系统中电域色散补偿技术性能研究 t h a t ：t h eo d bf o r m a tr e d u c e st h ep e r f o r m a n c eo fe d cf o rc o m p e n s a t i n g t h e p m da n d c d f o ro d bm o d u l a t i o n ，a c o m p a c tn o n l i n e a re q u a l i z e ri sr e c e i v e d ，a n d t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h ep e r f o r m a n c ei sa c c e p t a b l ec o m p a r e w i t ht h ec o m m o nn o n l i n e a re q u a l i z e ri nt h ep a s tr e f e r e n c e k e yw o r d s ：e 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 n ，f f e ，d f e ，c h r o m a t i c d i s p e r s i o n , p o l a r i z a t i o nm o d ed i s p e r s i o n v 1 1 1 独创性( 或创新性) 声明 本人声明所呈交的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。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中 不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京邮电大学或 其他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了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名：善络l 葺 日期：q2 ：2 仝 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的规定，即： 研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京邮电大学。学校有权 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许学位论文被查阅 和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印 或其它复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后遵守此规定) 保密论文注释：本学位论文属于保密在一年解密后适用本授权书。非保密 论文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 本人签名： 导师签名： 1 1 1 日期：直：z ：仝 日期： 北京邮电大学硕士研究生论文 光传输系统中电域色散补偿技术性能研究 第一章绪论 光纤传输技术沿着扩大单一波长传输容量、超长距离传输和密集波分复用 ( d w d m ) 系统三个方向在发展。 单一光纤的传输容量自1 9 8 0 至2 0 0 0 年这2 0 年里增加了大约1 万倍。对于 单纤高速率而言影响最大的是色散，光传输系统的色散容限与系统速率的平方 成反比，4 0g b i t s 系统的色散容限只有1 0g b i t s 系统的1 1 6 ，十分严格。而色 散特别是偏振模色散在温度和压力等外界环境压力下会是动态效应明显的参 数。当线路情况发生改变，如环网保护时工作路由和保护路由的长度不同时， 色散补偿也必须做出相应的动态调整。 迄今为止，全世界铺设的光纤干线的8 0 为g 6 5 2 光纤。我国的八纵八 横主要干线铺设的基本也都是g 6 5 2 光纤。随着全球信息业务量的迅猛增加， 通信网络必然要进一步向高速大容量方向发展，开发已有光通信系统的潜力， 在g 6 5 2 光纤上开通高速系统，关键问题是色散补偿。 传统的提高受色散限制的传输长度的光域色散补偿技术有色散补偿光纤 ( d c f ) 、线性啁啾光纤布拉格光栅、高阶模色散管理器等。 相对于传统的光域的色散补偿，电域色散补偿具有很多优点【1 】，随着电子 处理速度的提高，越来越多的光传输系统采用了电域色散补偿模块。 1 1 光纤中的色散现象 当一束电磁波与电介质的束缚电子相互作用时，介质的响应通常与光波频 率0 7 有关，这种特性称为色散，它表明折射率以和) 对频率的依赖关系。一般来 说，色散的起源于介质通过束缚电子吸收电磁辐射的特征谐振频率有关系，远 离介质谐振频率时，折射率和塞尔迈耶尔方程很近似 n 2 ( 埘) 1 + f 1 b j z c ”2 j 虿 (11)100 3 ，- 1 ：一 l l j 北京邮电大学硕士研究生论文 先传堵系统中电域色散补偿技术性能研究 由于不同的频谱分量对应于t h c n ( t o ) 给定的不同的脉冲传输速度，因而色 散在短脉冲传输中起关键作用；甚至当非线性效应不是很严重的时候，由色散 引起的脉冲展宽对光通信系统也是有害的。 在数学上，光纤的色散效应可以通过在中心频率处展开成模传输常数卢 的泰勒级数来解决 p ( t o ) 一 ) 詈一磊+ 属和一) + 主见 一) 2 + i ( 1 2 ) 这里 成一 扣- 0 , 1 , 2 ) 参量岛，岛和折射率n 有关系， 展。笠。1 三o + 珊- d n ) o k cd t o 岛-!(2笔+面d2n，ct od 4 。 ( 1 3 ) 他们的关系可由下面的式子得到： ( 1 4 ) ( 1 5 ) 波导色散的一个特性是，它对d ( 或者区) 的影响依赖于光纤的设计参数， 如纤芯半径和纤芯包层折射率差。 色散的另一个重要特性是，由于群速度失配，不同的波长下的脉冲在光纤 内以不同的速度传输，这一特性造成了走离效应。 1 1 2 色度色散对光通讯系统的影响 在图1 2 中可以看到，在采用的码型为n r z ，调制格式为o o k 的光传输 系统中( 1 0 g b i t s ) ，传输的距离和眼图的关系。可以看到，在传输过程中没有 光信号再生的情况下，当传输距离达到1 7 5 k m 时，眼图已经接近闭合。对于 g 6 5 2 光纤，在1 0 gb i t s 的情况下，当传输距离大于3 0 k m 时，就必须进行色散 补偿对于g 6 5 5 光纤，这个距离会大些，大约为1 0 0 k m 2 北京邮电大学硕士研究生论文先传输系统中电域色散补偿技术性能研究 0 k m锄k m1 0 0 k m1 7 5 岫 p s ，n m ) 傅柏p o n m ) ( t 7 0 0p 摹，n m l 舢辨，n m ， 图1 11 0 ( 3b i v s 传输系统中的眼图和传输距离的关系 1 1 3 偏振模色散的产生和原理 在单模光纤传输中，光波的基模是由两个相互垂直的偏振模组成的。理想光 纤的横截面是完美的圆形，并具有圆对称的折射率分布，这时单模光纤中的两个 正交偏振模是完全二度简并的。由于在材料、形状和应力上的各向异性，这两个 偏振模之间在传输过程中产生群时延差，这就是偏振模色散。 单模光纤中只有基模h e l l 传输，由于h e l l 模由相互垂直的两个极化模 h e l i x 和h e l l y 简并构成，在传输过程中极化模的轴向传播常数成和卢，往往 不等，从而造成光脉冲在输出端展宽现象。如下图所示： c 图1 - 2p m d 极化模传输图 实际应用中的光纤并非理想情况，由于各种原因使h e l l 两个偏振模不能 完全简并，产生偏振不稳定状态。造成单模光纤中光的偏振态不稳定的原因， 有光纤本身的内部因素，也有光纤的外部因素。 内部因素 p m d 即偏振模色散( p o l a r i z a t i o nm o d ed i s p e r s i o n ) ，由于光纤在制造过程中 存在着芯不圆度，应力分布不均匀，承受侧压，光纤的弯曲和扭转等，这些因 素将造成光纤的双折射。光在单模光纤中传输，两个相互正交的线性偏振模式 之问会形成传输群速度差，产生偏振模色散。同时，光纤中的两个主偏振模之 间要发生能量交换，即产生模式耦合。在光纤较长时，由于偏振模随机模耦合 对温度、环境条件、光源波长的轻微波动等都很敏感，故模式耦合具有一定随 3 北京邮电大学硕士研究生论文光传输系统中电域色散朴偻技术性能研究 机性，这决定了p m d 是个统计量。但p m d 的统计测量的分布表明，其均值与 光纤的双折射有关，降低光纤的p m d 及其对环境的敏感性，关键在于降低光 纤的双折射。 外部因素 单模光纤受外界因素影响引起光的偏振态不稳定，是用外部双折射表示的。 由于外部因素很多，外部双折射的表达式也不能完全统一。外部因素引起光纤 双折射特性变化的原因，在于外部因素造成光纤新的各向异性。例如光纤在成 缆或施工的过程中可能受到弯曲、扭绞、振动和受压等机械力作用，这些外力 的随机性可能使光纤产生随机双折射。另外，光纤有可能在强电场和强磁场以 及温度变化的环境下工作。光纤在外部机械力作用下，会产生光弹性效应：在 外磁场的作用下，会产生法拉第效应；在外电场的作用下，会产生克尔效应。 所有这些效应的总结果，都会使光纤产生新的各向异性，导致外部双折射的产 生。 对于如上两种因素都可能使单模光纤产生双折射现象，但由于外部因素的 随机性和不可避免性，所以在实际应用中人们非常重视对内部因素的控制尽量 减小光纤双折射现象。 1 1 4 偏振模色散对光通讯系统的影响 在通信系统传输速率越来越高，无中继的距离越来越长的情况下，p m d 的 影响成了必须考虑的主要因素。在数字系统中p m d 引起脉冲展宽，对高速系 统容易产生误码，限制了光纤波长带宽使用和光信号的传输距离；在c a t v 等 模拟系统则引起信号失真。 表i - i 列出受p m d 限制的数字传输系统传输速率与传输距离的关系； p i v o t ( 口鬈，4 1 m ) 25 g b i b s1 0 g b 一妇 4 0 g b n s 3 。0 7 3 3 a nl i k ml l 鼢 1 01 6 0 0 k m1 0 0 k z n6 1 a n 0 5 6 4 0 0 k i n 4 0 0 k m2 5 1 d n 024 0 0 0 0 k m2 5 0 0 1 a n1 5 斑簟h 0 11 6 0 0 0 0 1 a n1 0 0 0 0 k m6 2 5 k m 表1 - ip m d 对传输距离的影响 4 北京邮电大学硕士研究生论文光传输系统中电域色散补偿技术性能研究 从表1 - 1 中可以看出，在传输码型为n r z 的情况下，p m d 对于低速率的 光纤通信系统影响不大。对于2 s o b i t s 传输系统，当p m d 系数为0 5 p s k m 时，可传输6 4 0 0 公里，当p m d 系数值为l p s 4 k a n 时，可传输1 6 0 0 公里；但 对于高速( 1 0 g b i t s ) 系统，传输距离就大幅缩短，分别只能传输1 0 0 公里和 4 0 0 公里：对于超高速( 4 0 0 b i t s ) 系统，p m d 已严重制约了系统的使用：在 p m d 系数为l o p s k m 时，传输的距离只有6 k m ，在p m d 系数为0 5 p s k a n 时，传输的距离只有2 5 k m ，在p m d 系数为0 2 p s ，k m 时，传输的距离1 2 5 k m 。 由此可见，p m d 成为影响高速系统传输距离的主要因素之一。通常为保障 1 0 g b i t s 高速系统及4 0 g b i t s 超高速系统的正常使用，至少应保证p m d 系数小 于等于0 2 p s k m 。 1 2传统的光域色散补偿技术 人们针对色散的物理机理，提出了一系列的色散补偿技术，其基本思想可通 过光信号在光纤中的传输方程。即非线性薛定谔方程来描述： 石8 , 4 + i 1 反矛0 2 a l 。a 叫0 3 a 。 ( 1 6 ) 式( 1 6 ) 中，a 为光信号的缓变振幅，z 为传输距离，t 为时间。实际上，当i 成| 1 p s 2 l u n 时，b 3 可忽略不计，则可由式( 3 ) 解得 心驴去弘郴p ( 办t 叮) 如 q 乃 式( 1 7 ) 中，a ( 0 ，m ) 为a ( o ，d 的傅里叶变换。可见，色散引起的光信号畸 变是由相位系数c x p 三岛z 2 决定的，由式( 1 7 ) 可求得a ( z ，d = a ( o ，d ，即 脉冲还原为初始输入时的状态，可消除相位系数。因此，所有的色散补偿技术就是 围绕如何消除该相位系数，使得光信号还原而展开的。 1 2 1 色散补偿光纤( d c i o 使用色散补偿光纤( o c f ) 来补偿色散的思想早在1 9 8 0 年就已提出，但直到 1 9 9 0 年e d f a 的出现才加速了其发展进程。其基本原理是：由于常规光纤在1 5 5l am 波长上具有负色散，我们可以设计一段在该波长区中正色散系数很大的 5 北京邮电大学硕士研究生论文 光传榆系统中电域色散补偿技术性能研究 特殊光纤，因此用很短的一段正色散光纤就可以补偿几十千米的常规光纤所产 生的负色散，从而在1 5 5l im 窗口接收到无畸变的波形。这段特殊光纤因其功 能而被称之为色散补偿光纤。 二十世纪九十年代中期开发的色散补偿光纤( d c f ) 在大部分的商用系统 是进行色散补偿的的主要技术。目前，基于1 0 g b p s 的长距离d w d m 链路都 需要进行色散补偿，即在每个或几个光纤跨段的线路上放置用d c f 制成的色 散补偿模块( d c m ) ，周期性地使光纤链路上累积的色散接近零，实际上，考 虑到非线性效应，色散不能完全补偿到零，需要有一定的残余色散，同时残余 色散又不能过大，对1 0 g 的n r z 系统，残余色散的容限为1 0 0 0 p s n m ；对4 0 g 的n r z 系统，残余色散的容限为6 0 p s n m 。 现有的d c f 分为浅凹陷包层、深凹陷包层和反色散型等数种类型。商用补 偿光纤的色散系数通常为一8 0 一1 0 0p s ( n m k m ) ，能够完全补偿色散系数为 2 0p s ( n m k m ) 、长度大约5k m 的g 6 5 2 光纤线路。高水平补偿光纤的衰减系 数可低达0 5d b k m ，f o m ( 品质因数) 大约为2 0 0p s ( n m d b ) 。f o m 达到3 0 0 p s ( n m d b ) 的d c f 也有，但是制作成品率低。将d c f 盘绕制作成的模块，商 品水平的色散补偿量高的能够达到13 5 0 20 4 0p s n m ，且p m d 性能优越， 不过，高性能产品售价高昂。 d c f 在缓和色散限制的同时也产生副作用，其衰减系数比普通单模光纤的 大。补偿的色散量越大，补偿光纤越长，对线路增加的附加衰减越大，对光纤 放大器补偿能力的要求也越高。放大器的增益越高，可能引入的问题越多，对 光通道信噪比、信号波形恶化程度的影响越严重。此外，一般d c f 芯径小( 大 约4 5 i in 1 ) ，容易产生非线性效应，通道间隔越窄，复用波长数量越多，非线 性效应会越严重。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。尽管d c f 存在着一些缺点，但是它能够使光纤的总色散接近于 零，因此不失为一种可用的补偿器。但是，对于4 0g b i t s 及其更高速率的系 统，d c f 模块的应用存在着局限性因为高速系统色散容限小，即使几个中继 段长度只相差数k m ，也可能出现标准系列的d c f 模块不适用的情况。 d c f 的优点在于能实现宽带补偿、光学特性稳定，缺点是基于d c f 的补 6 北京邮电大学项士研究生论文光传输系统中电域色散补偿技术性能研究 偿器体积很大，而且d c f 本身的损耗较大。因此在应用g 6 5 2 光纤时，一般 需要两个e d f a 来实现两级放大，这无疑大大增加了d c m 的成本并减小了系 统的非线性容限。此外，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 ，而且不是所有的d c f 都能实现1 0 0 的斜率补偿，即使1 0 0 斜率补 偿的d c f 能方便地获得，在接收端或传输线路中的o a d m 节点。仍需要色散 补偿措旌有一定的灵活性，如色散补偿量能自适应调整或自动优化等。这些都 导致d ：f 的应用受到限制。 1 2 2 光纤光橱补偿模块 跟d c f 不一样，光纤光栅( f g 许 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( c m ，c h i r p e df i b e rg r a t i n g ) 色 散补偿器件受到高度重视。通常认为f g 只适合于窄带补偿，工作带宽难以达 到d w d m 系统补偿要求。从研制水平而言，光纤布拉格光栅( f b g ) 的补偿带宽 达到了2 2 5n m 。色散补偿量为8 0p s n m ；c f g 补偿带宽超过1 8n m ，并成功地 用于4 0g b i t s 4 、7 5k m 和1 0g b i t s 3 2 、3 7 5k m 的实验传输系统。实用的 f g 补偿器以窄带的居多，对于占用频带特别宽的多波长系统，只好进行通道分 组补偿。 1 3电域色散补偿( e d c ) 技术 e d c 解决了光域色散补偿的很多缺点，因此目前为很多研究机构研究的热 点。电域均衡在电信号传输系统，移动通信系统，无线电传输系统和电磁存储 系统中都有应用。但是因为光信号传输的高速度，光域的e d c 一直受困于电子 处理瓶颈。直到上世纪末才实现了第一个使用e d c 的光传输系统【2 】近年来随 着大规模数字集成电路以及专用集成电路技术的发展，利用电域的信号均衡原 理补偿光信号的传输损伤重新受到人们的重视。上个世纪九十年代末，当网络 的速率由2 5 g b i t s 上升为1 0 g b i t s 的时候，高效的，自适应的色散补偿技术的 需求越来越迫切。 由于电信号处理速度的高速增长，特别是最基本的信号处理单元模数转换 器速度已经可以达到2 0 gs a m p l e s 以上 3 2 - 3 3 ，这说明对1 0 g b i t s 速率的信号 进行过采样电均衡已没有实现上的困难。 7 北京邮电大学硕士研究生论文 光恃榆系统中电域色散补偿技术性能研究 2 0 0 4 年e c o c 会议上，德国的c o r e o p t i c 甚公司报道他们首次实现了具有 最大似然序列估计( m l s e ) 功能的1 0 7 g b i t s 的光接收机。使用速率为2 5 ( 3 s a m p l c s ，3 b i t 量化的高速模数变换器，每个比特采样两次，使用维特比算法对 信号进行判决输出。对非归零( n r z ) 格式的信号测试表明，该接收机可以较大 地提高色散容限1 3 】。 2 0 0 5 年o f c 会议上，q u a k e 公司( 加拿大) 报道了它们推出的具有自适 应均衡和时钟数据恢复的1 0 g b i t s 信号接收机，均衡器结构为f f e + d f e ，采用 0 1 8 u m b i c m o s 技术，芯片的封装为7 7 m m 2 的p b g a 封装，可以均衡3 5 个 单位间隔时间的i s i 1 4 。 这些实验系统都清楚地证明了采用e d c 对系统性能的提高。最近几年，把 e d c 模块集成到光收发机内部成为e d c 走向实用化的重要步骤。在这种情况 下，如何选用最佳的e d c 结构成为要考虑的问题。和光色散补偿相比，e d c 具有以下的优点： 1 减少了使用昂贵的光器件的成本； 2 减少了由于使用光器件而必须加入的光放大器的数目，提高了信号的 质量； 3 采用成熟的电处理自适应算法，可以动态的进行色散补偿。 1 4本论文的主要工作和结构安排 基于以上对于光传输系统中色散补偿的背景分析，本人在硕士学习阶段和 论文工作期间主要就光传输系统中的e d c 技术进行了深入的分析和研究，主要 工作如下： ( 1 ) 对e d c 的原理进行深入的调研与分析，对e d c 结构中的滤波器和自适 应算法作了研究； ( 2 ) 对采用不同结构的e d c 的性能的差异进行了研究； ( 3 ) 对于e d c 中的重要模块，电滤波器进行了分析和研究，对滤波器的抽 头数目和系数的调整对e d c 性能的影响作了仿真，并给出综合考虑成本和性能 8 北京邮电太擘硕士研究生论吏光传输系统中电域色散i , l q f - 技术性能研究 的抽头数目选取的结论； ( 4 ) 对于在光传输系统中e d c - t x 和e d c - r x 的性能差异作出仿真分析； ( 5 ) 对于在高级的调制格式( o d b ) 对e d c 的性能的影响作出仿真分析； 并给出一种简化的非线性滤波器结构，通过仿真证明采用这种非线性的滤波器 的e d c 适用于o d b 调制下的色散补偿。 围绕以上工作，本论文以光传输系统中的e d c 技术为核心展开，论文具体 结构安捧如下： 第一章绪论，主要介绍了研究背景：对高速光传输系统中的色散补偿方 案进行综述，介绍了传统的光域信号处理的方法和本文的重点，电域色散补偿。 并着重介绍电域信号处理技术的进展，作者在这部分做了大量的调研工作，其 中也包含着自己的一些深入思考和观点。 第二章e d c 相关技术研究，主要介绍两类e d c 技术，e d c r x 和 e d c t x ，对每一种技术，详细论述了其原理，结构框图，并仿真分析这两种 方法性能的差异。 第三章e d c 相关技术研究，主要介绍了在e d c 中的滤波器模块，自适 应算法模块的原理。对e d c 中滤波器和e d c 性能之间的关系作仿真分析。并 根据仿真结果给出了合理的滤波器选取方案。 第四章对文献中提到的非线性滤波器进行简化，并对采用这种滤波器的 e d c 在o d b 系统中的应用作出仿真分析。 9 北京邮电大学硕士研究生论丈光传输系统中电城色散补偿技术性能研究 第二章光传输系统中的e d c 技术 在实际应用中，e d c 有两种不同的使用方案。图2 - 1 展示了这两种方案。 e d c - t x 是在发送端加入色散补偿模块，对光电变换之前的电信号进行预处理。 e d c - r x 则是在光传输系统的接收端，对进行光电变换之后的，受到信道污染 的电信号进行滤波。这两种方法的原理都是信道均衡的原理，即使整个信道的 传递函数要符合无码间干扰频带传输的升余弦特性。 在参考文献【4 1 中，采用n r z 的码型，o o k 的调制格式，通过对色度色散 和偏振模色散的预干扰，在没有使用任何d c f 的情况下，传输距离达到了 3 0 0 0 k m 。在其中e d c 使用的数字信号处理模块中。光信号的实部和虚部被分 别生成和分别预处理。在e d c t x 中，为了实现e d c 的自适应调整，必须从 接收端到发送端有一个回馈信道，通过这个信道，接收端的信号污染情况被回 馈到发送端，发送端的e d c 根据这个回馈量进行调整，调整使用的滤波器的参 数，使在接收端收到的信号污染情况降为最低。由此可见，由于信道反馈必然 存在时间的延时，因此发送端的e d c 的自适应能力相对较差。 抠 图2 - 1e d c - t x 上图) 和e d c - p , x 下图) 的结构示需图 对于接收端的电域色散补偿( 图2 - 1 的下图) ，接收端的光信号首先被转变 为电信号，然后对光信号上的损伤在电域里面进行补偿。 由于补偿后的信号的采集在同一端，接收端的e d c 的自适应过程相对简 单。在本地实现一个回馈的环路就可以实现快速的自适应。在二十世纪末这种 1 0 北京f 电大学硕士研究生论文光传输系统中电域色散补偿技术性能研究 方法就被用于对c d 和p m d 的补偿。这种方法的易实现性使它可以简单的集成 在光接收机里面，对于除了色散之外的大多数损伤也都可以性能很好的进行补 偿【5 】。 2 1e d c 的原理 各种传输损伤都是信道特性的不理想所导致，对于理想传输系统，输出信 号与输入信号的相比，有一定的幅度变化和时间延迟，但是波形却没有发生失 真，对理想的无失真传输，输出信号为： y ( t ) = k x ( t - t ) ( 2 1 ) 其中k 为幅度变化常数，t 为时问延迟常数。上式两边取傅立叶变换得 r ( f 、一k x ( f ) e x p ( - i 2 ，r f r ) ( 2 2 ) 故可得无失真传输系统的频域传递函数为： ( ，) 一y ( f ) x ( f ) - k e x l ) ( - i 2 n r f r ) 一阿( ，) f c x “坝，) ) ( 2 3 ) 可见无失真传输系统的传递函数的幅频响应为一常数，相频响应是频率的 线性函数，且直流分量的相移为零，以保证每个频率成分有相同的延迟，从而 在接收端迭加后重现原信号。式( 2 1 ) 要求传输系统的频带无限宽，实际上这样 的系统是不存在的，真实的系统的带宽总是有限的。而对于一个频域受限的系 统，它的时域响应是无限的，也就是说时域上的波形必定有很长的拖尾，这使 得前后码元互相重叠，即产生了码间干扰o s n 。这是在带宽受限信道中实现可 靠的高速传输的主要障碍。而均衡广义上就是指所有消除或者减小i s i 的信号 处理或者滤波技术。下面进一步讨论码间干扰原理，设定一个理想低通传输系 统，其传递函数为 1 l dq m 叫 北京邮电大擘硕士研究生论文 光传输系统中电域色散补偿技术性能研究 丑, i t 鬻i t 。一f ， 其中厶。瓦w h ，卜击 二、卜 vv vv - 盯讲- 2 td t 拈2 1 盯4 1 图2 2 理想低通系统单位冲击响应 ( 2 5 ) 当其波形向两边无限延伸，而取样点不能落在脉冲响应函数h ( t ) 的零点时， 将导致1 s l a 比如信号发送序列为；吒6 ( f x r ) 贝f jn t 时刻取样值为多个脉冲响 应函数的线性叠加： _ ，p ) 【。r 。【军吒6 ( f k r ) | l ( f ) + 弹( f ) 】 ( f ) 。；4 t x 勋一七沙】+ v o r ) ( 2 6 叫。+ 击磊叫沙， 嘶d 其中n ( t ) 表示噪声， ( f ) 表示接收端匹配滤波器的单位冲击响应， x o ) - h ( t ) h ( o ) ，v ( f ) 一甩( f ) i l i o ) ， 符号表示卷积。罗a k h i ( n 一七沙】表示 t 朔 所有t = k t 时刻发送的数据信号对指定时刻t = n t 发送信号的符号间干扰，v ( n t ) 表示t - - n t 时刻的噪声抽样。 北京邮电大学硕士研究生论文 光传输系统中电域色散补偿技术性能研究 矧e 裂榉”髓褂 矗纹稚t i 埘掣 1 川刘 辩到 lll 懒面 。j j _ l 一l j - l l l _ i 上 斟l 讲i - n + li - 2 i - i i槲磁拣珊1 卜一崩蛹斟硅剿璐i 澎擗_ 一 一米甜j 二究囊暂纷的拖毽f f 扰l _ 一束融j 一 虫纷；船曲够 哇琶_ 。 图2 - 3 邻近符号对当前符号干扰的时序关系 可见在带宽受限传输系统中，由于系统的单位冲击响应具有无限长的时间 拖尾，造成了i s i ，而系统其他一些效应的影响可以等效为带宽限制。图( 2 3 ) 给出了前后邻近符号对当前符号干扰的时序关系，假定当前符号的时间标识为 i ，则先于当前符号发出的先前符号的时间标识为i 1 ，i - 2 i - n ，它们的拖尾 造成了后续符号的珞i ，而后续符号的时发问标识为i + l ，i + 2 i + n ，它们的前 沿造成了先前符号的i s i 。因为光纤色散对脉冲的前后展宽是一致的，所以光脉 冲的先前码元和后续码元造成的干扰是相同的。 以上的推导是假设系统为线性时不变无记忆系统，即任何时候系统的单位 冲击响应都相同，且满足叠加原理。并且与系统过去的状态无关。在这一假设 下，当系统特性满足一定的特殊条件就能够有效地消除i s i ，下面对其进行讨论。 对于公式( 2 - s ) 而言，由于在时刻dt = n t + t ，n - - o ，1 - - 处，h ( t ) = 0 ( 没有i s i ) ， 所以当系统输入以2hf 的速率发送符号( 符号间隔为t ) ，则可以通过理想取 样来无失真地还原输入信号序列( 6 脉冲序列，数字信号) 。实际上进一步的 研究发现，如果系统的传递函数h ( ) 满足如下性质： 乏( w + f 等) - c o n s r 1 w 扛；l i i | o ( 2 7 ) 即以2 石，r 一2 为周期对h ( u ) 进行延拓再相加，如果在区间上能够叠加 得到一常数，则以速率传输信号时，可以实现在取样点处没有i s i 。常见的如升 余弦幅度滚降系统就属于此类： 北京邮电大学硕士研究生论文 光传输系统中电域色散补偿技术性能研究 h ) 一 1 o 司i t 丁o - a ) , r 。5 1 1 + s i n 丢( t 删学制c 业t ( 2 8 ) o ，学 其中滚降系数0 a 1 。式( 2 - 7 ) 给出了没有i s i 发生时，系统传递函数的 特性与符号发送速率的联系，对于特定符号发送速率，有特定的系统转移函数 相对应，所以均衡器的任务就是对连同信道和均衡器在内的整个传输通道的频 谱特性进行调整，使其满足( 2 7 ) 或者( 2 8 ) ，这样就可以消除i s i ，所以从这一点 来看均衡器又可以看作是信道估计器。下面进一步从频域的角度来解释均衡器 消除i s i 的原理，如果整个通信系统框图如下所示： | 卜 图2 - 4 带均衡的通信系统 上图所示整个通信的系统的转移函数为： h ( f ) = h 1 ( f ) h 2 ( f ) h 3 ( f ) h 4 ( f )( 2 9 ) 如前所述，整个系统的传递函数为升余弦函数则可避免塔i ，如果选择匹配 的发送滤波器和接收滤波器使它们的转移函数均为平方根升余弦函数，则有： h ( ，) 一m ( f ) h 3 ( ，) ( 2 1 0 ) 显然，上式成立的前提条件是补偿信道失真的均衡器的传递函数为信道传 递函数的倒数： 日丽1 。南e x p ，) ) ( 2 1 1 ) 但是通常情况下都不可能充分了解信道的冲激响应和转移函数，因而均衡 器的最基本的任务就是信道估计和求逆。如果发送滤波器和接收滤波器不满足 匹配条件，则均衡器就是对所有模块的传递函数估计和求逆。 1 4 北京邮电大学硕士研究生论文 先侍输系统中电域色散补偻技术性能研究 下面从时域角度出发来解释均衡原理，此时需要假定均衡器的形式为一横 截滤波器，具有2 n 个延时单元和2 n + 1 个抽头系数。均衡器的单位冲击响应 为： 鼋o ) 。荟c t 6 ( f 一盯) 则当输入信号为y ( i ) 时，输出信号为： z ( f ) 。y o ) 。q ( f ) 荟c k y ( t 一灯) ( 2 1 2 ) ( 2 1 3 ) 均衡器的任务就是选择适当的抽头系数kc ，消除前后n 个符号对t = n t 时刻抽样点的i s i 。在假定到达均衡器的脉冲波形相同，则有： 2 阶。蚤c i y n 1 1 ( 2 1 4 ) z q r ) - q _ ) ，旧一k t ) - 0 i i l - 1 , 2 ，n t ：身 求解此2 n + 1 个独立的方程可以得到( 2 n + 1 ) 个抽头系数，从而消除2 n + 1 个取样点的l s i 。( 2 1 4 ) 从时域的角度解释了均衡器利用信号在时间上的前后关 系消除i s i 的原理。 实际上由于噪声的影响，y ( t k t ) 并非准确的i s i ，而是附加了噪声，所以 通过求解( 2 1 4 ) 得到的系数比理想值也会有偏差。 2 2e d c 1 x 的结构和原理 同 1 _ j 图2 5e d c t 的结构示意图 北京邮电大学硕士研究生论文 先传输系统中电域色散补偿技术性能研究 e d c t x 的结构如图2 5 所示。 可以看到e d c - t x 由四部分组成，在发送端由滤波器构成的色散补偿单元和用 来调整滤波器抽头系数的自适应算法模块，在接收端的色散检测信号提取模块 ( m o n i t o r ) ，和一个连接发送端和接收端的环回信道。 通过使用不同种类的滤波器结构，例如横向均衡器，判决反馈滤波i n s i 7 1 ， 最大似然滤波器i s ，e d c 1 x 显示了很好的效果，在参考文献【9 】里的光通信 系统中显示，通过采用发送端的e d c ，色散的容限被提高了两倍。接收端的 e d c 由于采用直接包络检波来进行光电变换，光信号的相位信息在这个变换中 丢失，限制了群速度色散的补偿效果。而这正是e d c - t x 的优