（电磁场与微波技术专业论文）相干光通信系统中相位同步及校正技术研究.pdf

删赠煳 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： 袒鳓日期：冽2 ：2 ： 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： 趋璐 导师签名： 卜l-，【- 一jj 北京邮电大学硕士生毕业论文 相干光通信系统中相位同步及校正技术研究 摘要 由于数据、视频等业务的蓬勃发展，通信网络逐渐从传统的以 承载话音业务为主的网络转变为融合的、以承载“三重播放”为主 的网络。迅速增长的网络带宽需求对传送网的传输容量提出了较高 的要求，而传统的强度调n - 直接检测( i m d d ，i n t e n s i t y m o d u l a t e d d i r e c t d e t e c t i o n ) 技术在面对更高速率的传输时，面临着系统色散、 偏振模色散以及非线性等方面的严格限制，已逐渐不能满足传送网 容量增长的需求。作为二十世纪九十年代曾蓬勃发展的技术，相干 光通信可以更好的传送高速信号并对其中各种损伤予以补偿。因此， 相干光通信系统将逐渐成为未来高速大容量传送网的必然选择。 基于此背景，本论文对相干光通信系统中的核心技术相位 同步及校正技术进行了深入的、系统的研究。主要研究内容与成果 可以分为以下几个部分： 1 相干光通信系统的研究背景及其优缺点； 2 相干光通信系统的传输特性及关键技术： 3 相干光通信系统中的前向相位同步及校正技术研究，分析了 几种主要的前向相位同步及校正技术，并提出一种基于对数 算法的前向相位同步及校正技术； 4 相干光通信系统中的后向相位同步及校正技术研究，分析了 几种主要的后向相位同步及校正技术，并提出了一种发射端 的后向相位同步及校正技术； 5 对相干光通信系统相位同步及校正技术的总结。 关键词：相干光通信相位噪声频率偏移相位同步及校正 四相相移键控 一 j j 、i 北京邮电大兰堡主生望些丝塞一一 - _ _ _ _ _ - _ - _ _ _ _ _ - _ l - _ _ _ 一一一一一 p h a s e s y n c h r o n i z a t i o na n d c o r r e c t i o nt e c h n o l o g y i nc o h e r e n t o p t i c a lc o m m u n i c a t i o ns y s t e m a b s t r a c t w i t ht h eg r e a ti n c r e a s e so fd a t aa n dv i d e os e r v i c e ，c o m m u n i c a t i o n n e t w o r kg r a d u a l l yb e c o m e sac o n v e r g e n c en e t w o r kf o rt r i p l ep l a yf o r m c o n v e n t i o n a lv o i c en e t w o r k n er a p i di n c r e a s i n gb a n d w i d t hc a l l sf o ra h i g h e rs p e e d a n d b i g g e rc a p a c i t y t r a n s m i s s i o nn e t w o r k ，b u t c o n v e n t i o n a li m d ds y s t e mc a nn o tm e e tt h er e q u i r e m e n to fb a n d w i d t h i n c r e a s eb e c a u s eo fi t sr e s t r i c t si nc d ( c h r o m a t i cd i s p e r s i o n ) ，p m 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 ) a n dn o n l i n e a r e f f e c ti nf i b e ro p t i c s c o m m u n i c a t i o n a sab o o m i n gt e c h n o l o g yi n1 9 9 0 s ，c o h e r e n to p t i c a l c o m m u n i c a t i o nc a nt r a n s p o r tah i g h e rd a t ar a t eb e t t e r , a n dc o m p e n s a t e v a r i o u si m p a i r m e n t s a sar e s u l t ，c o h e r e n to p t i c a l c o m m u n i c a t i o n s y s t e m w i l l g r a d u a l l y b e c o m et h e m a i n l y s o l u t i o nf o rt h e n e x t g e n e r a t i o nt r a n s m i s s i o nn e t w o r k i nt h ef u t u r e u n d e rt h i s b a c k g r o u n d ，t h e k e m e l t e c h n o l o g y o f p h a s e s y n c h r o n i z a t i o na n dc o r r e c t i o n i nc o h e r e n to p t i c a lc o m m u n i c a t i o n s y s t e mi ss y s t e m a t i c a l l yr e s e a r c h e di nt h i st h e s i s m a j o rr e s e a r c h e sa n d a c h i e v e m e n t sc a nb ed i v i d e di n t os e v e r a lp a r t sa sf o l l o w i n g ： 1 r e s e a r c ho nt h eb a c k g r o u n d ，a d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so f 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 ； 2 r e s e a r c ho nt h ep r o p a g a t i o nc h a r a c t e r sa n dk e yt e c h n o l o g i e so f 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 ； 3 r e s e a r c ho np h a s es y n c h r o n i z a t i o na n dc o r r e c t i o nt e c h n o l o g y b a s e do nf e e d f o r w a r ds t r u c t u r ei n c o h e r e n t o p t i c a l c o m m u n i c a t i o ns y s t e m ，a n a l y z et h ep e r f o r m a n c eo f s e v e r a l m a i n l va l g o r i t h m s i nt h i ss c h e m e ，a n dp r o p o s e d ap h a s e s v n c h r o n i z a t i o na n dc o r r e c t i o nt e c h n o l o g yb a s e do nl o g a f i t h m a l g o r i t h m s ； 一 4 r e s e a r c ho np h a s es y n c h r o n i z a t i o na n dc o r r e c t i o n t e c h n o l o g y b a s e do nf e e db a c ks t r u c t u r ei nc o h e r e n to p t i c a lc o m m u n i c a t l o n s v s t e m ，a n a l y z et h ep e r f o r m a n c e o fs e v e r a lm a i n l ya l g o r i t h m sl n t h i ss c h e m e ，a n dp r o p o s e daf e e db a c kp h a s es y n c h r o n l z a t l o n a n dc o r r e c t i o nt e c h n o l o g yi nt r a n s m i t t e r ； 5 s u m m a r i z et h ep h a s es y n c h r o n i z a t i o na n d c o r r e c t i o nt e c h n o l o g y i nc o h e r e n to p t i c a lc o m m u n i c a t i o n ，a n ds i m p l y f o r e c a s tt h e f u t u r eo fc o h e r e n tc o m m u n i c a t i o n k e yw o r d s ：c o h e r e n to p t i c a l c o m m u n i c a t i o n ，p h a s en o i s e ， f r e q u e n c yo f f s e t ，p h a s cs y n c h r o n i z a t i o na n dc o r r e c t i o n ，q u a d r a t u 化 p h a s es h i f tk e y i n g 北京邮电大学硕士生毕业论文 第一章绪论 目录 1 1 1 相干光通信系统的研究背景l 1 2 相干光通信系统的优点2 1 3 相干光通信系统的研究状况及研究意义3 1 4 论文主要内容。4 1 5 本章小结5 第二章相干光通信系统及其关键技术 6 2 1 相干光通信系统基本原理6 2 2 相干光通信系统的关键技术1 0 2 2 1 相干光通信系统关键技术介绍1 0 2 2 2 相干光通信系统关键技术仿真研究。1 3 2 3 本章小结2 0 第三章相干光通信系统中的前向相位同步及校正技术 3 1 3 2 3 2 1 3 2 2 3 2 3 2 1 前向相位校正同步及校正技术简介2 1 几种典型的前向相位同步及校正技术 普通的前向相位同步及校正技术 基于判决反馈的前向相位同步及校正技术2 5 多级级联的前向相位同步及校正技术2 7 3 3 基于对数算法的前向相位同步及校正技术3 0 3 4 本章小结3 7 第四章相干光通信系统中的后向相位同步及校正技术 4 1 后向相位校正同步及校正技术简介3 8 4 2 几种典型的后向相位同步及校正技术4 0 4 2 1 光锁相环4 0 4 2 2 基于频偏提取的后向相位同步及校正技术4 3 4 3 发射端后向相位同步及校正技术。4 5 4 4 本章小结4 9 第五章总结 参考文献 致谢 5 0 5 2 5 4 5 5 北京邮电大学硕：t 生毕业论文 第一章绪论 自二十世纪九十年代中期开始，i n t e r n e t 商业化的巨大成功促使数据通信业 务量一直保持高速增长。全球数据通信业务量的增长率远大于传统话音业务量 的增长率，并将一直保持这样的发展趋势。在多数通信网络中，数据通信业务 量已经超过话音业务量，成为通信网络的主要流量。在过去的1 0 年中，世界网 络带宽的年增长率高达5 0 至1 0 0 ；我国在过去的几年中，干线的业务量和 带宽需求年增长率甚至超过2 0 0 1 1 。通信市场在2 0 0 8 年继续呈现出良好的发 展势头：移动业务持续增长，短信业务如火如荼，对等通信( p 2 p ) 业务蓬勃 发展，p 电视( 1 p t v ) 业务蓄势待发。这使我们有理由相信在未来很长一段时 间，通信网络的总容量还将持续高速增长，这对电信网的基础一光通信提出了 新的容量需求。 1 1 相干光通信系统的研究背景 在目前的光传输系统中，基于l o g b i t s 的波分复用技术已经很成熟并获得 了广泛应用。随着以太网业务的高速发展，节点设备中1 0 g b i 怕的以太网接口 在最近几年也越来越普遍。考虑到提高传输容量和降低传输成本的需求，网络 中需要更高的信道速率来复用并传输业务流量。对高于1 0 g b i t s 的信道传输速 率，目前研究最多的是4 0 g b i t s 的同步数字系列技术( s d h ，s y n c h r o n o u sd i g j i t a l h i e r a r c h y ) ，标准化和产品开发比较成熟，但没有得到大规模应用。也有一种观 点认为，按照以太网以1 0 倍速率增长的规律，下一代以太网的传输速率应该是 l o o g b i t s i 引。目前对于1 0 0 g b i t s 以太网的研发越来越受到业界的关注，i e e e 于2 0 0 6 年成立了一个新的组织，专门研究1 0 0 g b i t s 以太网的标准化等问题。 以往提高信道速率的办法都是幅度键控调制方式和直接检测的电时分复用 技术( i m d d ，i n t e n s i t y m o d u l a t e dd i r e c t d e t e c t i o n ) ，但用这种方法去实现4 0 g b i 怕 或更高速率时，会遇到很多问题。随着速率的提高，电子器件的设计开发上会 遇到很多问题；对光器件的要求也很高，这使得系统的成本一直居高不下。另 外，4 0 g b i t s 系统中对色散的容忍度很低，l d b 代价只有6 0 p s n m ；因为光纤色 散值会随温度等发生变化，所以系统需要动态的色散补偿。同样，4 0 g b i t s 系 北京邮电大学硕士论文 第一章绪论 统对于偏振模色散的容忍度也很低，l d b 代价概率下只有2 5 p s ，所以也需要 对偏振模色散进行动态补偿。目前动态色散补偿和动态偏振模色散补偿技术都 很不成熟。正是由于这些因素，使得4 0 g b i t s 系统的成本高，技术不成熟，至 今未得到大规模商用。可以想象如果继续用这种i m d d 的电时分复用方式实现 1 0 0 g b i t s 的系统，将面临更大的问题。 1 2 相干光通信系统的优点 随着网络带宽需求的持续高速增长，提高单信道速率的要求就越来越紧迫。 广泛使用的幅度键控调制方式以及直接强度检测技术在信道速率小于1 0 g b i t s 的w d m 系统应用中游刃有余，但对于高于1 0 g b i t s 的传输速率就显得力不从 心了。为了进一步提高传输容量和无中继传输距离，就需要突破现有的直接检 测接收机理，采用相干光检测技术。相干光检测技术除了检测光信号的幅度， 还能检测光信号的相位和偏振态。相干光接收有诸多优点，可以提高光网络的 性能。这些优点包括提升现有光纤的数据容量，能支持多种调制方式，接收机 灵敏度高，而且可以在电域补偿光传输带来的劣化1 3 j 。 例如，已经证明多电平调制方式，如差分四相移键控技术( d q p s k , d i f f e r e n t i a lq u a d r a t u r ep h a s e s h i f tk e y ) n - - j 提升现有光链路的数据容量。也就是 说，在相同的光谱带宽内，比起常用的幅度键控调制方式，相移键控技术( 四 相移相键控或正交幅度键控等) 能传输更多的数据另外，采用相干光接收技 术后，相位信号转化为幅度信号，接收信号的偏振态可以在电域内检测。使得 接收机侧的偏振控制变得比直接强度检测系统容易，为应用偏振复用( p d m ) 技术提供了契机。基于四相的调制技术与p d m 相结合，可以实现信道速率是 符号速率的4 倍，为实现高速的光传输提供了新的解决方案。 如果采用直接强度检测法，那么接收到的光信号只有幅度能被检测到，相 位信息被丢弃了，信号由光域变换到电域，这个非线性变换使得电域的均衡变 得相对复杂。相比之下，相干光检测技术保留了信号的相位信息，将光信号线 性地转换成电信号。这样，人们可以通过相对简单的电域数字信号处理技术， 如延迟线抽头滤波器等，去除诸如色度色散、偏振模色散( p m d ) 所引起的信 号畸变。相比之下，电域的色散和偏振模色散补偿比光域的补偿成本低一些， 而且容易实现动态实时的补偿这为省去链路中的光色散补偿模块或减少色散 补偿模块提供了可能，因为光域偏振模色散补偿技术还不成熟，偏振模色散的 补偿可以完全在电域实现。所以相干光检测技术为实现高速、长距离和低成本 的通信系统奠定了基础。 2 北京邮电人学硕：论文第一章绪论 相干光接收机的另外一个优势是可以支持多种调制方式。目前，光转发器 制造商正在研发新的调制方式，例如：d p s k 、d q p s k 以及多进制编码方式。 在这些技术实际应用时，光网络中的相关设备也要逐步采用这些调制技术。基 于相干光检测技术的光接收机就具备这个能力，只需要稍稍改动电处理环节， 而不必变动系统光器件就可以灵活地适用于多种调制方式。 相同误码指标下，相干光接收机具有更高的灵敏度，所需的光信噪比也更 低，这将提高系统的传输距离，减少中继节点数目。如果采用相位键控( p s k ) 技术，这个效果会更加明显。此外，由于相干光接收技术需要的光信噪比( o s n r 。 o p t i c a ls i g n a l t o n o i s er a t i o ) 更低，因此系统允许有更大的损耗余量，维护工作 量也降低了，因为清洁光连接器属于维护工作，所以也就降低了运维成本。此 外，使用较少的可重配置光器件，相干接收机还可以实现光信号的路由重构， 这主要是采取电域自适应均衡技术，光路的相位信息还依旧可以保持下去。 为提高信道传输速率，目前国内外研究比较多的是通过使用先进的调制码 型的相位调制技术，例如d q p s k 和正交相移键控调制( q p s k ：q u a d r a t u r e p h a s e s h i f tk e y ) 。和传统的强度调制相比，这两种相位调制技术具有非常窄的 频谱，可以降低波分复用的信道间隔，提高频谱效率。实现相同的信道比特速 率，这两种技术的符号速率是传统幅度调制和差分相移键控( d p s k ：d i f f e r e n t i a l p h a s e s h i f tk e y ) 方式的一半，这大大增加了系统对色散和偏振模色散的容限。 因为信息以恒定的包络或近似恒定包络传输，能有效抑制光纤中的各类非线性 效应，如自相位调制和交叉相位调制。同时，d q p s k 和q p s k 调制还具有与 d p s k 调制相同的优点，使用平衡接收机，相比强度调制的开关键控( o o k , o n - o f fk e y ) 能提高3 d b 的接收灵敏度。对于相同的系统配置，d q p s k 比q p s k 有2 3 d b 的灵敏度代价。另外考虑到光的差分延时器件实现复杂而且不容易集 成，本论文将研究基于q p s k 的相干技术。 1 3 相干光通信系统的研究状况及研究意义 相干光通信技术经过近二十年的蛰伏期，在最近几年越来越受到国际学术 界的关注。从2 0 0 5 年至今，每年都有大量关于相干光通信技术的文章在国际高 水平会议和期刊上发表，内容包括各种新型调制码型，如正交频分复用( o f d m ， o r t h o g o n a lf r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ) ，偏振复用的差分四相移相键控 ( p m d q p s k ，p o l a r i z a t i o nm u l t i p l e x i n gd i f f e r e n t i a lq u a t e r n a r yp h a s es h i f tk e y i n g ) 等，相干光通信关键技术的研究，相干光通信中的高速数字信号处理，以及相 干光接收机集成化的研究等 , t - 9 1 。研究的方式多种多样，包括理论研究及仿真， 3 北京邮电大学硕士论文第一章绪论 实验验证以及场地实验的。此类研究多集中于美国、日本、德国、荷兰、英国 等发达国家，中国也有相关研究文章发表，但数量较少 相干光通信方面的理论研究正在逐年升温，商品化研发也在缓慢进行0 6 年美国d i s c o v e r y 公司推出了带宽2 5 g b i t s 及1 0 g b i t s 的外差检测相干光接 收机，在带宽为1 0 g b i t s 误码率为1 0 母时灵敏度可达3 0 d b m ，集成的相干接收 机体积比普通电脑机箱小，便于运输和野外工作。相干光通信的一些关键器件 及技术也在近几年得到了很大的发展，如d i s c o v e r y 、德国u 2 t 等公司可提 供高速高输入功率的平衡接收机。国内的一些公司也在逐渐推出自己的产品， 如华为最近推出的端到端的1 0 0 g b i t s 系统解决方案。该方案采用偏振复用的差 分四相移相键控技术，实现了8 0 波1 0 0 g b i t s 容量的6 4 0 k m 的无电中继传输。 目前，在高速光通信领域，主要存在单信道4 0 g b i t s 和1 0 0 g b i t s 两个标准 研讨小组，将就未来实现4 0 g b i t s 和1 0 0 g b i t s 光通信的相关技术规范等予以确 定。预计该标准在未来的几年内就可以最终确定，从而将对高速光通信的发展 奠定基础。除此之外，目前光通信市场的弧的高速发展以及p t n 的高速发 展，也将为高速光通信的发展带来强劲的动力。相干光通信作为未来高速光通 信的关键技术，一定会随着目前高速发展的光通信技术以及市场需求而逐渐走 向成熟。 相对于传统的光通信技术，相干光通信灵敏度高，可以提高中继的距离； 另外相干光检测对于波长有较好的选择性，有利于实现大容量通信；此外，相 干光通信可以选择各种调制技术，技术自由度也比较大。因此，相干光通信必 将成为未来的高速大容量光通信系统的必然选择。但是，由于各种固有的干扰 和各种环境因素等带来的突发干扰等的影响，相干光通信系统中仍然面临着很 多问题。因此，对相干光通信系统的各种关键技术进行研究，仍然刻不容缓。 1 4 论文主要内容 为了对本论文有一个清楚的了解，先将本论文的结构进行简要介绍。根据 研究内容本论文的结构安排如下： 第一章：绪论。对相干光传输系统的研究背景、技术优点和国际国内研究 现状进行简要说明，并说明相干光通信技术研究的意义。 第二章：相干光通信系统及其关键技术。为了对相干光通信系统有一个深 入的了解，本章介绍了相干光通信系统的基本原理及其传输特性，以及各种关 键技术，包括偏振控制和复用，本振激光器的影响，混频器，1 - o ( i n p h a s e q u a d r a t u r ep h a s e ) 路平衡度以及相位同步等。 4 北京邮电大学硕上论文第一章绪论 第三章：相干光通信系统中的前向相位同步及校正技术。对相干光传输系 统进行深入的研究与分析，介绍了普通的前向相位同步及校正技术和基于判决 反馈的相位同步及校正技术，并提出一种对数算法的前向相位同步及校正技术， 该技术方案可以消除7 5 m h z 的激光器线宽、3 0 度激光器相位偏差、2 0 度调制 器i q 的相位偏差或9 0 度混频器的相位不平衡对系统误码率的影响，显著改善 系统性能。 第四章：相干光通信系统中的后向相位同步及校正技术。对相干光传输系 统进行深入的研究与分析，介绍了采用光锁相环的后向相位同步及校正技术和 基于频偏提取的后向相位同步及校正技术，并提出一种发射端的后向相位同步 及校正技术，采用该技术可以很好的消除发射端i q 路间的相位不匹配，使得 i q 路信号保持严格正交，从而在发射端消除相位噪声。 第五章：对全文进行总结。 1 5 本章小结 本章主要结合目前光通信领域的研究现状与产业发展情况，分析了高速大 容量的相干光通信系统的研究背景，分析了相干光通信系统的各种优点，阐述 了目前相干光通信系统的发展现状及研究意义。在本章的最后，介绍了本文接 下来的结构安排 5 北京邮电大学硕士生毕业论文 第二章相干光通信系统及其关键技术 相干光通信系统在提高通信传输容量和传送速度上拥有巨大的优势，并且 由于采用相干调相技术，能够线性解调出信号所携带的所有信息，包括幅度、 相位信息以及偏振信息等，结合目前高速发展的数字信号处理技术( d s p , d i g i t a l s i g n a lp r o c e s s ) ，系统中的各种损伤，包括相位噪声、色散、偏振模色散和非线 性效应等都能获得较好的补偿。但是，由于各种损伤产生的机理相同，其补偿 算法也各不相同。为了研究的方便，本章将分析相干光通信系统的基本原理以 及传输特性，并分析系统中的各种损伤带来的影响，为以后的研究提供方便。 2 1 相干光通信系统基本原理 相干光通信系统的设计主要涉及两个部分，即光发射机( t x ) 和接收机( r x ) 的设计，其信道与传统i m d d 系统相同。根据发射机与接收机的实现方式，相 干光通信系统的设计方案可以分为以下三种： 1 ) 相干发射+ 相干接收，比如q a m 系统； 2 ) 相干发射+ 传统接收，例如电域预扰动( e p d ，e l e c t r i c a lp r e d i s t o r t i o n ) 系统； 3 ) 传统发射+ 相干接收，例如接收机侧的电域均衡系统。 目前研究的主流集中于第三种设计方案，因此，本文将以第三种相干系统 的设计方案为基础，进行相干通信中一些关键技术的研究。目前，相干通信系 统中各种新的调制码型不断应用，但最主要的还是基于相位调制技术因此， 为了不失普遍性，本论文将以r z q p s k 技术作为主要研究方向，研究相干光 通信系统的相位同步及校正技术。 图2 - 1 是基于r z q p s k 相干光通信系统实现框图，为了简化，系统中的时 钟恢复和功率放大等没有画出。相干接收系统主要由偏振控制器、本振激光器、 9 0 度混波器、平衡接收机、锁相环( p l l ，p h a s el o c k e dl o o p ) 组成；为了完 成数字p l l 和数字均衡，还引入了模数变换( a d ) 和数字均衡；均衡后的信 号进行恢复判决处理。下面对本方案中关键部件的研究内容和实现方案做一一 说明。 6 北京邮电大学硕士论文第二章相干光通信系统及其关键技术 厂一。 - 。彘p 教 绽熬p 掰嚣9 a 窜起嚣了醇j 嘎嚣 r z q p s k_ ，霹蕊卜圈：件 - 橹 发q ；书l 毓r轫；孰 蠼 高危f 织加# 挺j 唆 ： p u 。 0 t a社_ l 乏 网，艮纠v 娃一一i 一网 l 一掣母蹲y 罗篡i ：一吆卜一一一 - r 娑- 盛i 图2 - 1 基于r z - q p s k 的相干系统实现框图 相干光通信系统的发射机主要是由发射激光器，三个马赫曾德尔调制器 ( m z m ，m a c h z e h n d c rm o d u l a t o r ) ，一个9 0 度相移器组成。首先，发射激光器 的信号被分光器分成两路分别送入马赫曾德尔调制器，对输入的i 路和q 路数 字信号进行调制，调制后的i 路信号与经过9 0 度相移器的q 路信号相加，便 形成了q p s k 信号。然后再经过一个马赫曾德尔调制器，进行r z 雕刻，最终 对发射端的功率起到一定的限制作用。相干光通信系统发射机原理图如图2 2 所示。 图2 - 2 r z - - q p s k 调制发射机原理图 发射机输出调制信号为 f ( t x l + q e ，三) e x p 【j f ( m f + 织o ) ) 】( 2 - 1 ) 其中，厂( f ) 代表r z 雕刻信号，也就是图2 - 2 中的c o s ( w t ) ，i 和q 分 别代表i 路和q 路的用户信号，而e x p j ( w + 吃1 0 f ) ) 】代表发射激光器的场强。 相干光通信系统的接收机主要由本振激光器，9 0 度混频器，平衡接收机， 以及数字锁相环，数字均衡设备和恢复单元等组成。首先接收到的信号与本振 7 在对9 0 度混频器的分析中，假设耦合器1 为非理想器件，2 、3 、4 为理想 器件，这不失分析问题的一般性，同时兼顾分析问题的简便性。 耦合器2 、3 、4 的传输矩阵为 8 北京邮电大学硕士论文 第二章相干光通信系统及其关键技术 墨墨j 每 v 云v 。 耦合器1 的传输矩阵为 三压 、2 ( 2 - 4 ) 万，而后1 5 ) 而7 三万j 假设在9 0 度频频器中存在相位不平衡，即耦合器1 和4 之间的9 0 度相移 器有一个口的相位差，则通过1 4 的耦合器以及9 0 度相移器形成的四端口网络 后，可得到输出分别为 一辱邑 从而，根据平衡接收机相关原理，有 ，一k 一，3 3 一i 如1 2 一l b ，1 2 恤1 + ，譬盈| 2 - l 譬毛1 2 - 2 ( 1 一】，) r e b e ：】 q , 1 4 4 一厶- i e 1 2 一i 瓦1 2 + 秒1 护, 7 如h 知如1 2 。2 ) ，i i i l b e ：】 将式( 2 - 3 ) ，( 2 - 4 ) 分别代入( 2 1 0 ) ，( 2 - 1 1 ) ，可得 ，- 厕厂( f ) ( ，c o s p q s i n o ) + 2 x 面 - y ) r e n ( t ) 】 q ；4 瓦 ( t ) q c o s ( p o r ) + ，s i n ( 口一仃) + 厉i m 【刀。州 9 ( 2 - 6 ) ( 2 - 7 ) ( 2 - 8 ) ( 2 - 9 ) ( 2 - 1 0 ) ( 2 - 1 1 ) ( 2 - 1 2 ) ( 2 - 1 3 ) 吩缸缸 b b b 4 ” h 风 如 艮 北京邮电大学硕上论文第二章相干光通信系统及其关键技术 其中0 为系统的相位噪声，且有0 。( w s - w l ) t + e p s ( t ) - 咖l ( t ) 。其中 ，表示 了混频器的非理想性，而仃表示9 0 度混频器的相位失配，疗( f ) 表示系统噪声 为了讨论简单，我们在推导传输方程时将主要的非线性、时延等放在q 支路进 行讨论。 首先，我们假定混频器理想，即，= 1 2 ，则有 i f ( t ) ( 1 c o s 0 - q s i n e ) + r e n ( t ) 】( 2 - 1 4 ) q f ( o q c o s ( o - a ) + i s i n ( o 一仃) + i m n ( t ) e 。】( 2 - 1 5 ) 对于i 路信号，由于日一( 一忱) f + 九o ) 一九o ) ，如果0 乒0 ，则有s i n 0 0 ， 从而在l 路中混有q 路信号。而对于q 路信号，如果0 一o r 一0 ，则q 路中混 有i 路信号。因此可以看出，如果本振信号与接收信号相差较大，则无法很好 解调出原相位信号。因此应该采取一定相位同步与校正电路来保证本振信号与 接收信号的频率同步和相位同步。而针对时延以及色散、非线性等造成的其他 接收误差，则应采用电域补偿技术。 如果混频器不理想，即r 一寺，则会使i 路( 或q 路) 上下支路功率分配不 平衡，从而使信号在接收端功率不平衡，从而星座图变成椭圆形，并且发生旋 转。此时应该首先采用一定的估计与补偿算法，对于接收信号的幅度和相位进 行分别补偿 2 2 相干光通信系统的关键技术 在本章第一节中，论文从传输的角度对相干光通信系统进行了详细的分析。 根据分析，相干光通信系统中的关键技术主要有以下一些。 2 2 1 相干光通信系统关键技术介绍 1 ) 偏振控制 在相干接收中，需要信号光的偏振与本振光的偏振态相同。因为光纤中的 偏振态是变化的，所以接收机需要偏振控制。偏振控制分为偏振监测和偏振控 1 0 北京邮电大学硕士论文 第二章相干光通信系统及其关键技术 制两部分。在相干光检测系统中，可以检测出信号光的相位和偏振态，这为实 现偏振监测提供了方便。偏振控制器要求能无极地调整出任何偏振态。偏振控 制器也可以通过偏振分集技术来实现，通过把信号光和本振光都分解成两个正 交的分量，实现两个信号同偏振方向的分量进行相干接收。 2 ) 本振激光器 本振激光器是实现相干光接收的关键部件，要求本振激光器有较高的功率、 很低的相位噪声和很窄的谱线宽度。论文中将研究本振激光器的线宽和频偏对 系统的影响，并分析各种相位同步及校正算法对其补偿的性能。 3 ) 9 0 度混波器 9 0 度混波器通过信号光和本振光混合干涉，把输出信号送入平衡接收机。 由于p i n 接收机的非线性效应( 平方检测) ，本振信号与被接收的信号混频， 产生和频与差频输出，得到i 和q 信号。该器件的任何缺陷，都将导致后面的 接收判决错误。因此，研究该器件的缺陷问题，尤其是其9 0 度混频器的不平衡 问题，就显得尤为重要。 目前，许多公司已经开发出了一些集成的9 0 度混频器件。o p t o p l e x 公 司开发出自由空间微光元件搭建的9 0 度混波器，但其体积大，功率和相位不可 调，不太适合光相干接收的应用。c e l i g h t 公司开发出了基于铌酸锂集成的9 0 度混波器，具有体积小可集成，功率和相位可调等优点，可以作为相干光接收 系统的应用。 4 ) 数字锁相环( p u 0 相干通信系统要求本振信号的相位、频率与接收信号的相同或相差恒定， 需要由数字锁相环来实现。数字锁相环是相干光接收系统中最重要的部件，其 示意图如图2 4 所示。数字锁相环主要包括相位估计、环路滤波、求模、积分 以及星座旋转等模块，其精度和速度是其重要指标，且其速度取决于估计平均 的长度和星座旋转的速度。 图2 - 4p l l 结构示意图 5 ) i q 幅度和相位不平衡控制 在四相移相键控中，i q 路的幅度要求相等，相位要求互相正交。但是， 实际系统往往存在一定的幅度和相位不平衡，从而无法满足系统的需求。因此， 北京邮电大学硕：l 论文第二章相干光通信系统及其关键技术 在接收系统中必须监测i o 信号的幅度、相位和延时的不平衡，然后动态地调 整本振激光器和9 0 度混波器，并进行适当的补偿。本论文中将研究l q 不平衡 的监测和调整算法，分析i q 幅度、相位和延时不平衡的系统代价和系统容忍 度。 6 ) 模数变换和数字均衡 数字信号处理技术( d s p ) 的不断进步是相干光通信再次焕发生机的重要 因素。现在2 0 g 采样秒的模数和数模( a d 和d a ) 变换器已经问世，d s p 技术也具有更高的速度和更强的处理能力。通过模数变换把模拟信号变成数字 信号，可以对接收到的信号进行电域的均衡，以补偿在光域的色散、偏振模色 散甚至非线性的损伤；可以应用先进的多级调制格式，例如o a m ；实现动态 系统性能检测和反馈控制；可以实现数字化p l l ，或者省略掉p l l 。本论文将 简略研究相干光接收系统对模数变换器的采样速率和量化分辨率的参数要求， 研究数字均衡器算法、结构、实现复杂度等。 刀偏振复用( p d m ) 技术 在提高系统传输容量时，为了改善系统性能，我们可以通过采用多级调制 的办法来降低系统的符号速率，也可以采用偏分复用技术来实现。系统符号速 率的降低，可以减轻高速传输时遇到的o s n r ，非线性、色散和p m d 容限减 小，改善系统的频谱效率。使用p d m 技术的多级码型调制技术( 如r z d q p s k ) ， 可以实现仅为1 4 传输速率的符号速率，可以以1 0 g 波特秒的符号速率实现 4 0 g b i t s 的传输，以2 5 g 波特秒的符号速率实现1 0 0 g b i t s 的传输。正因为如 此，p d m 技术现在已经成为研究高速光通信的研究热点 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，我们可 以用每个模式传一路光信号，这样一束光波的2 个正交的偏振方向上传输了2 路光信号，叫做偏分复用。p d m 的系统示意图如图2 5 所示。 图2 - 5p d m 系统示意图 p d m 信号在具有p m d 的光纤链路中传输时，会受到一阶和高阶p m d 的 影响。一阶p m d 的影响是使2 个偏振方向的传输时延发生变化，但是不改变 偏振方向，这对p d m 系统的影响不大：高阶p m d 效应主要体现在偏振主轴的 旋转，这需要在接收端有偏振监测和跟踪( 控制) 机制，跟踪信号的偏振旋转 方向，以便很好的解复用。高阶p m d 还会导致信号光的偏振度下降，导致同 图2 - 6 系统仿真平台 针对相干光通信系统中的一些关键因素，本论文采用v p i 软件进行了仿真 研究。仿真平台如图2 - 6 所示，v p i 软件的具体应用及其相关特性，由于篇幅 所限，在此不再赘述，如需了解，请查阅相关帮助。 北京邮电大学硕上论文 第一- - 4 章相干光通信系统及其关键技术 仿真中系统参数设置如表2 - 1 所示。 表2 - 1 系统参数设置 类型：p r b sn 数据源 阶数：1 0 马赫曾德尔调制器 上升时间l2 2 8 p s 发射机消光比：2 0 d b 极化角：0 度； 发射激光器 线宽：0h z ； 初始相位：0 d e g ； 信道噪声光信噪t 卜, ( o s n r ) = 1 3 d b 或扫描 光滤波器二阶高斯滤波器，带宽5 0 g h z 其耦合器均为理想状态 9 0 度混频器 相位不平衡度为o 或扫描 电域滤波器 4 阶贝塞尔滤波器； 接收机 ( t i a ) 带宽：0 7 * b i tr a t eh zo r 扫描 极化角：0 度或扫描 线宽：0 h z 或扫描 本振激光器 初始相位：0 度或扫描 频率偏移：0 度或扫描 系统参数系统速率：4 0 g b i t s 系统的仿真结果及相关说明分别如下： 1 ) 光信噪比( o s n r ) 导致的q 代价 在系统参数不改变的情况下，调整o s n r 取值，得到仿真结果如图2 7 所 示。o s n r 取值范围：1 0 d b 到2 0 d b ，步长l d b ，分别测试i 路和q 路以及i q 路的平均的q 代价。 1 4 北京邮 已 $ 芒 口 1 01 2 1 4 6 t 82 0 光信噪比( c l b 图2 7q 代价与系统光信噪比的关系 随着o s n r ( d b ) 的线性增加，q 代价线性减小，说明系统的o s n r 对系 统性能有较显著的影响。因此，可以通过采用较好的滤波器、低噪声放大器等 来提高系统的o s n r 从而获得较好的系统性能。同