（通信与信息系统专业论文）四进制差分偏振移位键控（4dpolsk）发射机设计.pdf

上海大学硕士学位论文 摘要 偏振移位键控是一种利用光载波的偏振态完成信息传输的数字调制技术。 它是恒定功率调制。二进制直接检测一偏振移位键控的灵敏度已经被证明比强 度调制一直接检测好3 d b 。它能很好地抑制波分复用系统中自相位调制、交叉 相位调制引起的交叉干扰。 多进制偏振移位键控使光纤通信系统中每个符号传输多个比特成为可能， 不仅能非常有效地提高系统的色散容限，还可以提高光纤通信系统的频谱效率、 降低系统的符号速率，进一步降低高速电子设备的花费。 偏振移位键控需要在接收端进行电或光的偏振跟踪；差分偏振移位键控利 用前后符号的相对变化进行解调，无需偏振跟踪，并且可以简化接收机结构、 提高接收机启动速度。 四进制差分偏振移位键控发射机的设计与研究是本文的主要内容，包括系 统方案设计、电路的硬件设计、软件设计、电路的调试和整个四进制差分偏振 移位键控的传输实验。 最后，为了提高四进制差分偏振移位键控的色散容限，本文提出了一种改 进方案，仿真证明色散限制传输距离能提高6 0 k i n 。 关键词：偏振态，差分偏振移位键控，色散容限 v 上海大学硕士学位论文 a b s t r a c t p o l a r i z a t i o ns h i f tk e y i n g ( p o l s k ) i sad i g i t a lm o d u l a t i o nt e c h n o l o g yt h a t i n f o r m a t i o ni sc a r r i e db yt h es t a t eo fp o l a r i z a t i o n ( s o p ) o fl i g h t w a v e i ti s i sa c o n s t a n tp o w e r m o d u l a t i o n ；b i n a r yd i r e c td e t e c t i o n ，p o l s kh a sb e e np r o v e nt oh a v e 3d bb e t t e rt h a ni n t e n s i t ym o d u l a t i o n d i r e c td e t e c t h i o n ( i m d d ) o i ls e n s i t i v i t y ；i t c a l lr e j e c te r o s s t a l k sw e l ld u et o s e l f - p h a s em o d u l a t i o n ( s p m ) a n dc r o s s p h a s e m o d u l a t i o n ( x p m ) i nw a v ed i v i s i o ns y s t e m ( w d m ) m - a r yp o l s kb r i n g st h ep o s s i b i l i t yo ft r a n s m i t t i n gs e v e r a lb i t sp e rs y m b o li n t h eo 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 i ti sn o to r t l ya b l et o i m p r o v ed i s p e r s i o n t o l e r a n te f f e c t i v e l y , b u ta l s oi n c r e a s et h es p e c t r a le f f i c e n c ya n dr e d u c et h es y m b o l r a t e ，a n dt h u st h ec o s to fh i g h s p e e de l e c t r o n i c sc o m p o n e n t sa sw e l li nt h es y s t e m p o l s kh a st ou s eo p t i c a lo re l e c t r o n i cp o l a r i z a t i o nt r a c k i n gi nt h er e c e i v e r h o w e v e r , d i f f e r e n t i a lp o l a r i z a t i o ns h i f tk e y i n g ( d p o l s k ) n e e d sn op o l a r i z a t i o n t r a c k i n gd u et oi t sd e m o d u l a t i o nc o m p l e t e db yu s i n gr e l a t i v e l yc h a n g e so ft w o c o n s e c u t i v es y m b o l s ，a n dt h u so f f e r ss i m p l e rr e c e i v e rs t r u c t u r e sa n dh i g h e rs t a r t u p d e s i g na n dr e s e a r c ho f4 - d p o l s kt r a n s m i t t e ri si m p o r t a n tp a r ti nt h ep a p e r w h i c hi n c l u d e sd e s i g no fs y s t e ms h c e m e ，h a r d w a r ea n ds o f t w a r ed e s i g no nc i r c u i t ， d e b u g g i n go nc i r c u i ta n de x p e r i m e n to n4 - d p o l s kt r a n s m i t t i n g a tl a s t ，as c h e m eo fi m p r o v i n go n4 - d p o l s ki sp r o p o s e dt oi n c r e a s et h e d i s p e r s i o nt o l e r a n t ，a n ds i m u l a t i o nr e s u l t ：t h e r ea r e6 0 k i nd i s p e r s i o nl i m i t e d t r a n s m i s s i o nd i s t a n c ei m p r o v e m e n t k e y w o r d s ：s t a t eo fp o l a r i z a t i o n ，d i f f e r e n t i a lp o l a r i z a t i o ns h i f t k e y i n g ， d i s p e r s i o nt o l e r a n t v i 上海大学硕士学位论文 原创性声明 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。 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发 表或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他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。 签名：烈选日期：坐：三：! 兰 本论文使用授权说明 本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留论文及送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学 校可以公布论文的全部或部分内容。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名： 新签名哞谶 i i 上海大学硕士学位论文 1 1 课题来源 第一章绪论 本课题来源于国家自然科学基金项目，项目名：混沌光通信技术，项目编 号：6 0 5 7 7 0 4 2 。 1 2 课题研究的背景 经过二十多年发展，光纤通信技术显示出了无比的优越性，数字光纤通信 作为光纤通信的主要通信方式将在今后肩负起全球信息化的重任。数字光纤通 信是用户信息对光载波的幅度、相位、频率和偏振态等参数进行数字调制的一 门技术，其中幅移键控( a s k ) 、频移键控( f s k ) 和相移键控( p s k ) 作为数字通信 的标调制方式已经得到了广泛的应用，而利用光载波的偏振态( s o p ) 作为调制参 数的数字调制技术还处于起步阶段【i 】。 1 2 2 偏振移位键控( p o l s k ) 技术 利用线偏振光作为光载波，对其s o p 进行数字调制的技术称之为偏振移位 键控( p o l s k ) 。它是一种恒定功率调制方案，能够有效低克服光纤传输中的自相 位调制( s p m ) 、交叉相位i 周锘j j ( x p m ) 等非线性影响 2 1 。 s o p 的数字调制之所以能够实现是因为s o p 在光纤的传输过程中受环境影 响的变化速率是非常缓慢的，即相对于一个符号周期的时间段，s o p 不会发生 重大的变化，即使经过相对长距离的光纤传输后，已调光信号受到的偏振模色 散( p m d ) 影响也非常小【3 1 。 国际上p o l s k 系统已进行了一系列的理论研究和实验分析，取得了较大进 展，一致认为p o l s k 系统具有以下特点： 上海大学硕士学位论文 在光纤传输过程中p o l s k 技术可以有效抑制双折射效应。p o l s k 技术的星 座图可以采用彭加球球面上的点来表示，因此，p o l s k 调制表现为一个刚性几 何图形。在传输过程中光纤的双折射效应只会导致彭加球上的点的刚性旋转， 但不会改变矢量之间的空间相对位置，因此，信号点之间的相对位置不会变化， 从而可以免受光纤传输过程中双折射效应的影响【4 1 。另外，p o l s k 技术可以很 容易从受偏振模色散( p m d ) 影响的系统中恢复出原来的信号，从而增强了系 统抗p m d 的能力【l 】。 根据s t o k e s 接收机是否使用本地光源，p o l s k 可分为相干检测偏振移位键 控( c d p o l s k ) 和直接检测偏振移位键控( d d p o l s k ) 。c d p o l s k 是最先开始进行 理论分析和实验验证的p o l s k 系统，它的结构比较复杂，但是灵敏度很高。然 而，随着近年来掺铒光纤放大器r ( e d f a ) 技术的发展，使直接检测系统完全可以 达到相干检测系统的灵敏度；更重要的是d d p o l s k 对偏振相关增益( 由于在 超长距离链路中使用e d f a 而出现的一种严重损害) 不敏感【5 1 。因此，d d p o l s k 系统在长距离、高速传输中具有广泛的应用前景，许多研究机构和公司纷纷把 研究重点从c d p o l s k 转向d d p o l s k 。 1 2 3 多进制偏振移位键控( m p o l s k ) 技术 多进制偏振移位键控( m p o l s k ) 禾i j 用光载波的多个偏振态进行信息编码调 制，实现不同的偏振态编码对应不同的数字信号编码。 在相同比特率的情况下，多进制传输的带宽是二进制传输的：l o g ：m ，符 号周期是二进制传输的l o g ，m 倍，因此，系统的色散容限是二进制传输的 ( 1 0 9 ：膨) 2 倍，被认为是一种最简单、最有效地色散管理方法 4 】。 如果p o l s k 技术的接收端采用s t o k e s 接收机，则p o l s k 技术特别适合于多 电平调制。光波的任意偏振态都可以采用三个相互独立的s t o k e s 参数来表示， 因此，p 0 1 s k 的信号点在星座图上的分布是三维空间，而不是传统的二维空间， 尤其适合于多进制偏振移位键控技术( m p o l s k ) 。 m p o l s k 具有频谱利用率高，在相同码元速率的情况下，通过降低系统的 2 上海大学硕士学位论文 符号速率来减轻系统的电或光电硬件设备的速度要求等优点。另外，像传统的 多进制调制一样，m p o l s k 可以采用网格编码技术来提高系统的编码增益，从 而实现带宽和灵敏度的最佳结合 6 1 。 1 2 4 差分偏振移位键控( d p o l s k ) 技术 由于一些外部的因素，如微弯和横向的压力，光在单模光纤中传播时其偏 振状态并不会保持不变。环境温度的变化对光偏振状态也有不利影响。环境温 度随着时间变化，可以把环境温度看作是时间的函数激光在单模光纤中传播时， 其偏振状态是环境温度的函数，所以光偏振状态是时间的函数，随着时间缓慢变 化 7 1 。最终，这些因素使得光纤中传输的p o l s k 信号发生畸变。 在p o l s k 接收端，畸变的p o l s k 信号会在判决时导致偏振模糊的问题进而 影响偏振态的解调。这对于用激光的偏振状态来携带信息进行传输的p o l s k 通 信系统来说使非常不利的，为了克服偏振模糊的问题，必须在p o l s k 接收端使 用电或光的设备对偏振态进行补偿或跟踪。常用的设备是动态偏振控制器，它 可以实时跟踪输入光偏振状态的变化，这就增加了很大一部分系统成本【8 】。 由于不同波长的光在一段相同的单模光纤中传播后，各自的偏振状态变化 的大小是不同的，所以在波分复用( w d m ) 系统中各个不同的信道需要独立的偏 振控制【9 】。偏振控制的高成本阻碍了这一调制解调技术在实际光通信系统中的 应用。 利用在单模光纤中传播时各个偏振状态的光在斯托克斯( s t o k e s ) 空间中的 相对位置的不变性即刚性星座图，再加上通过借鉴通信原理中为解决相移键控 ( p s k ) 的相位模糊的问题提出的差分相移键控( d p s k ) ：将要发送的数字信息先 经过预编码( 差分编码) ，然后在输入到p s k 系统中进行传输。本文提出了相 似的方法，先将要发送的二进制信源进行差分编码，然后送入p o l s k 中进行传 输，然后通过前后两个偏振态的比较来解调出原始信号，这样就省掉了接收端 要进行动态偏振控制这样麻烦的事情，降低了p o l s k 的应用成本。通过前后两 个偏振态的比较还可以消除在光纤传输中带来的噪声，进一步提高接收机的灵 敏度，这样的p o l s k 叫做差分偏振移位键控( d p o l s k ) 【8 1 。 3 上海大学硕士学位论文 1 3 课题研究的目的和意义 1 3 1 课题研究的目的 本课题研究的目的是将d p 0 1 s k 和m p o l s k 的优点结合起来而形成一种新 的光纤数字通信系统：多进制差分偏振移位键控( m d p o l s k ) 系统。 为了研究的方便，取m 的值为4 ，即：四进制差分偏振移位键控( 4 d p o l s k ) 系统。搭建4 - d p o l s k 实验平台进行传输实验，与理论分析及仿真进行验证。 系统的发射机是基于干涉型偏振调制器的设计；系统的接收机是基于直接检测 s t o k e s 接收机。 为了方便实验，系统的光纤信道采用g 6 5 2 标准单模光纤。 最后，通过4 d p o l s k 的优化设计，提出了4 - m d d p o l s k ，大大提高了 4 d p o l s k 的色散容限。 1 3 2 课题研究的意义 近年来，单信道4 0 g b s 通信系统已经成功，加之密集型波分复用d w d m 技术，两者结合更将单光纤的通信容量推广到数个t b s 之巨。这两项技术在 实验上都已取得成功，但因采用半导体毫米波技术与器件，所以价格昂贵，成 本很高，市场仍难以接受，尚未大量投入商业运用。因此，寻求单信道高码率 调制的各种替代方案是当务之急，p o l s k 技术属于恒定功率调制，对d w d m 中的s p m 、x p m 、f w m 有很好的抑制性，是值得考虑的替代方案。 m p o l s k 属于一种多电平调制技术，除了具有一般多电平调制的优点外， 还具有p o l s k 调制的优点。更重要的是，由于m p 0 1 s k 的星座图是分布在三维 s t o k e s 空间的彭加球上，从根本上比以前的二维空间里的星座图有更长的欧式 距离，带来更高的相位噪声容限，从而使m p o l s k 也不失为适合多进制传输的 调制技术。 m d p 0 1 s k 通过先对要调制的数据进行差分编码，然后再进行m p o l s k 调 制的方式解决了m p o l s k 解调时的偏振模糊现象，而且不需要偏振控制器，降 低了系统的成本，是单信道高码率调制的不错的替代方案。 4 上海大学硕士学位论文 1 4 国内外研究概况 光载波有幅度、相位、频率、偏振态四个可调制的参数。利用前三个参数 进行调制的研究非常成熟，而利用偏振态进行调制的研究是在近几年才开始飞 速发展起来，国外研究比国内研究深入得多。 1 4 1 国外研究概况 1 ) 1 9 6 4 年n i b l a c k 和w o l f 最早提出偏振调制的思想【1 0 】。由于当时光通信 研究正处于初期阶段，它并没有引起人们的重视。 2 ) 19 8 7 年f u k u c h i 等人通过实验的方式证实了直接检测一偏振移位键控 ( p o l s k - d d ) 系统t 1 1 1 。 3 ) 1 9 8 8 年r c a l v a n i 等人首次提出差分偏振移位键控( d p 0 1 s k ) 的思想，研 究表明当使用外差检测时，系统对相位抖动完全免疫【1 2 】。 4 ) 1 9 8 9 年s b e t t i 等人提出使用s t o k e s 参数完成差分检测的d p o l s k 系统， 并对系统性能进行了分析【13 1 。 5 ) 1 9 9 0 年y o hi m a i 等人提出使用载波频率移位差分检测的d p o l s k 系统， 该系统能够消除各种相位噪声的影响【8 1 。 6 ) 1 9 9 2 年b e n e d e t t o 等人将基于偏振调制的p o l s k 技术引入的光信号的数 字传输中，提出了完整的p o l s k 理论，并对2 - d p o l s k 系统进行了比较 详细的分析【1 1 。 7 ) 1 9 9 4 年b e n e d e t t o 等人首次建立相干检测一偏振移位键控( p o l s k c d ) 实验系统【1 4 1 。 8 ) 1 9 9 5 年s b e n e d e t t o 等人在基于p o l s k 调制的相干数字通信系统中使用 了网格编码技术，获得了3 - 4 d b 的编码增益【1 5 1 。 9 ) 1 9 9 7 年r i c h a r dj b l a i k i e 等人提出了多电平d p o l s k 系统，它实际上是 一种双差分p o l s k 系统( m d d p o l s k ) ，并对其进行了详细的分析【1 6 】。 1 0 ) 2 0 0 2 年k u e n s u e y 等人提出了对称d p o l s k 系统，仿真和实验显示，性 能比6 - d d p o l s k ( 四电平传输) 系统提高了0 5 d b 1 7 1 。 上海大学硕士学位论文 1 4 2 国内研究概况 与国外相比，国内对p o l s k 技术的研究才刚刚起步，相关的文献和报道非 常少。上海大学特种光纤与光接入网省部共建教育部重点实验室对p o l s k 技术 进行了比较深入的研究，并首次把p o l s k 技术应用到光混沌保密通信中 1 8 】 1 9 】。 1 5 论文的主要研究内容 本论文是以作者攻读硕士学位期间承担课题的工作为基础，全文共分为六 章，下面分别进行介绍： 第一章阐述了课题研究的背景、目的、意义以及国内外研究的现状。 第二章阐述了p o l s k 的分类、调制、解调原理；d p o l s k 的分类、调制、 解调原理和关键器件。 第三章阐述了4 d p o l s k 系统方案设计、发射机硬件、软件设计。 第四章阐述了4 - d p o l s k 发射机调试以及与接收机的联合调试，并给出了 实验结果。 第五章阐述了4 - d p o l s k 的改进方案：4 m d d p o l s k ，仿真结果表明系统的 色散容限提高了6 0 k m 。 最后第六章对已完成的工作和尚须改进之处进行了总结。 6 上海大学硕上学位论文 第二章差分偏振移位键控( d p o l s k ) 技术 2 1 偏振态的表示方法 光的偏振态可用琼斯( j o n e s ) 矢量、斯托克斯( s t o k e s ) 矢量、彭加球表示【2 0 】【2 l 】。 2 1 1 偏振态的琼斯矢量表示 光波是电磁波，各种光学作用与电振动有关，因此，用电矢量代表光波。 在复函数表示法中，一束沿z 方向传播的光的电场矢量可以表示为： 雷( z ，f ) = r e 4 e j m t - t z ) ( 2 1 ) 式中j 是位于x 、y 平面的复振动矢量，考虑电场矢量云的端点沿空间运 行的曲线是点的时间的演变轨迹，平面坐标( e ，e ) 分别为： e l = a x c o s ( c a t k + 6 3 e y = a y c o s ( c a t k + 6p 1 ( 2 2 ) ( 2 3 ) e 、e ，叫做琼斯矢量，其中a = a x e 谬，z + a y e 协，y ，x ，y 分别是沿着x 、y - - _ - - 方向的单位矢量。对于这样的一束平面波，其偏振态可以随着振幅4 、4 ，相 位瓯、和方向e 、e 这三者或者其中任意一项的改变而改变2 2 1 。将上面两式 中的变量( t o t k z ) 消去，经过运算可得： 榭锄刚筹蚓椰 仁4 ， 式中万= 瓯一正。这个二元二次方程在一般情况下表示的几何图形是椭圆。 如图2 i 所示，相位差万和振幅比e b 的不同决定了椭圆形状和空间取向 的不同，从而决定了不同的光波偏振态。当相位差为0 或万时，为线偏振光； 当相位差为+ ，r 2 ，且振幅比为l 时，为左、右旋圆偏振光：当相位差为其它 7 上海大学硕士学位论文 值时，为椭圆偏振光。 图2 1 椭圆偏振参量关系图 另一方面，我们也可以做主轴转换，用x 和y 来表示，即得到椭圆的长轴 a 和短轴b ( 或其比值+ - - 立q = t a n z ) 及方位角、i ，来表示。并有关系式： t a n 2 沙= t a n 2 a * s i n 8( 2 5 ) t a n 2 z = s i n 2 a * s i n 艿( 2 6 ) 其中，a 2 + 6 2 = 彳+ 彳，t a n a = 。因此偏振光可以采用方位角、i ，以及 椭圆率z 来表示【2 3 1 。 2 1 1 偏振态的s t o k e s 矢量表示 光波的某一偏振态还可以用彭加球上的一点来表不。通常，电磁波的偏振 态可用斯托克斯参数进行表征。假定电磁波的传输方向为z ，参考平面为( 石，y ) ， 那么偏振光的电场强度e 可分解为两个正交分量乓和e ，表示为： e = 点：王+ e ，歹 ( 2 7 ) e = 4 ( f ) p 埘+ 疋 ( 2 8 ) 岛= a y ( t ) e 7 研+ 删 ( 2 9 ) 其中缈代表光载波的角频率，4 ( f ) 、4 ( 0 和坑( f ) 、t ( ) 代表e 、髟的振幅 和相位。为了简化表示，后面的书写忽略了参数的时间依赖性。 上海大学硕士学位论文 偏振态通常是由4 、4 和相位差艿= 一哦来决定，由斯托克斯( s t o k e s ) 参数定义可得： s o = 4 2 + 4 2 ( 2 1 0 ) 墨= 4 2 4 2 ( 2 11 ) 最= 2 4 4 c o s 3 ( 2 1 2 ) 岛= 2 a x a y s i n 8 ( 2 1 3 ) 上式中的& 表示光波总功率，墨= x ，最= y ，墨= z 表示偏振光的三个斯托 克斯参量在彭加球面上的坐标位置【2 4 1 。由于上述四个参数之间存在有以下的恒 等关系： s 0 2 = 墨2 + 足2 + 墨2 = x 2 + y 2 + z 2 ( 2 1 4 ) 因此，四个斯托克斯参数仅有3 个是独立的。 2 1 3 偏振态的彭加球表示 在1 8 9 2 年彭加莱( p o i n c a r e ) 在斯托克斯空间引入归一化半径s o = l ； s 0 2 = s 2 + 足2 + s 2 ，墨、& 、岛分别对应x ，y ，z 坐标轴的立体球面，表示光的 偏振态。球面上的任意一点与单位强度全偏振光的偏振态一一对应。偏振态的 彭加球表示如图2 2 所示。 当以彭加球上x 、y 平面内的大圆线( w f e b ) 为赤道线，x 、z 平面内的大 圆俏f s b ) 为零经度线时，则球面上任意一点的经度角的一半即沙( 卜彰，必】) 表示椭圆偏振态长轴与x 方向的夹角( 方位角) ；椭圆率可以用纬度角的一半 的正切来表示，其数学表达式如下所示： r = t g x ，其中x ( z 必，形】) ( 2 1 5 ) 由此可知，北半球上各点的椭圆率t 1 为正，表示各点为右旋偏振态；南半 球上的椭圆率”为负，表示各点为左旋偏振态。北极点对应右旋圆偏振态，南 极点对应左旋圆偏振态。赤道线上妙角不同的点表示线偏振态的不同入射方向。 9 上海大学硕士学位论文 因此，可以对彭加球上的各个象限表面上的偏振态分布情况进行归纳，不 同象限表面上偏振态的类型不同，各象限间交界线上的点及其交点，则对应各 象限间过渡的特殊偏振态【2 5 】【2 6 1 。如左、右旋交界线为线偏振态，左、右旋同向 象限之间的交界线为o = 0 ，7 r 4 ，7 r 2 的椭圆偏振态等。由此可知，赤道平面上 的点包含所有的线偏振状态；南北极表示圆偏振态；其余的区域表示各种椭圆 偏振态。其中北半球表示右旋偏振状态，南半球表示左旋偏振状态。光波偏振 态完全可以用彭加球球面上的点表示出来，图2 3 为彭加球上偏振态的分布图。 图2 2 偏振态的彭加球表示 2 2p o l s k 技术 l 一4 5 0 ，一1 l c p 0 0 一1 图2 3 彭加球上偏振态的分布图 p o l s k 是一种新的光数字传输技术，它利用偏振光( 光载波) 的偏振态( s o p ) 进行编码调制，适用于二进制、多进制的传输。一个完整的p o l s k 数字光纤通 信系统包含发射机、光纤信道、接收机三个部分：发射机的关键器件是偏振调 制器，它用来完成调制信号的电光转换：接收机的关键器件是斯托克斯( s t o k e s ) 接收机，它用来提取完全描述s o p 的s t o k e s 参数，也是用来完成接收信号的光 电转换。 2 2 1p o l s k 的分类 一、按信号电平数分类 根据调制信号电平数的不同，p o l s k 可分为二进制p o l s k 、多进制p o l s k 两种，简称2 p o l s k 、m p o l s k 。 1 0 上海大学硕士学位论文 2 - p o l s k 是最简单的p o l s k 系统，使用两个正交的偏振态表示“1 码和“0 码。2 - p o l s k 的星座图常选择关于原点对称的两个偏振态。m p o l s k 是指二进 制以上的p o l s k 系统，它的星座图是通常是内嵌在彭加球大圆内的m 边正多变 形或内嵌在彭加球内的正多面体的顶点【1 1 。 二、按检测方式分类 根据信号的检测方式不同，p o l s k 可分为直接检测p o l s k 、相干检测p o l s k ， 简称d d p o l s k 、c d p o l s k 。 d d p o l s k 不使用本地光源，接收机结构比较简单；c d p o l s k 需要本地光 源的光信号与光纤的光信号进行相干，相干后的光信号强度变大，收机灵敏度 要比d d p o l s k 高很多。 根据相干后低通滤波后光信号的差频是否为零，c d p o l s k 系统又分为零 差、外差系统，前者相位变化非常敏感，需要光相位锁定；后者输出是中频信 号，对相位检测不敏感，不需要光相位锁定，但信噪比( s n r ) 比前者低3 d b 2 7 1 。 三、按解调原理不同 按照p o l s k 接收机是否基于s t o k e s 接收机，可分为基于s t o k e s 接收机的 p o l s k 系统和不基于s t o k e s 接收机的p o l s k 系统。 不是基于s t o k e s 接收机的p o l s k 系统比较少见，如文献【2 8 1 提到的四电平 p o l s k 系统可直接利用两个2 2 5 0 偏振器进行接收，无需外加解码器，结构非 常简单。 基于s t o k e s 接收机的p o l s k 系是目前主流的p o l s k 系统，本文研究的就是 这种系统。 2 2 2p o l s k 调制技术 标准数字调制技术只是利用电矢量两个分量中的一个分量( t 或e ) 作为 信息传输的载体。当数字信号对载波的振幅( 4 或4 ) 参数进行调制时属于幅移 键控( a s k ) ；当数字信号对载波的频率参数进行调制时属于频移键控( f s k ) ；当 数字信号对载波的相位参数进行调制时属于相移键控( p s k ) ；当数字信号同时对 上海大学硕士学位论文 载波的振幅、相位进行联合调制时属于正交幅度调制( q a m ) 。 p o l s k 调制技术则是在要调制的数字信号和光载波电矢量的两个分量( e ，、 e ，) 的参数4 、彳，、t 、t 之间建立一种对应关系，这种关系通过s t o k e s 参 数映射到斯托克斯空间内的彭加球上【3 】。 图2 4 是p o l s k 调制原理框图。偏振器把从光源发出光信号转换成线偏振 光用作光载波，偏振调制器在数字信号的控制下完成偏振态的调制，即与数字 信号对应的星座图上的偏振光( 已调光) 被输入到光纤信道中。数字信号可以 是二进制，也可以是多进制，它们是与星座图上的偏振态是一一对应的。 2 2 3p o l s k 解调技术 图2 4p o l s k 调制原理框图 当p o l s k 信号在单模光纤中传输时，由于光纤双折射的影响，该信号的偏 振态会发生变化，但相对一个符号周期的时间段来说，这个变化是缓慢的。从 整个传输过程来看，整个p o l s k 信号的星座图( 由彭加球球面上p o l s k 信号点 组成) 是刚性旋转的，即虽然每个信号点对应的偏振态被替换了，但是这些信 号点在斯托克斯空间的相对位置没有改变。因此，接收端只要确定了参考信号 就可以把信息解调出来。 图2 5 是解调原理框图，已调光在光纤中传输时，受到光纤非线性、色散等 影响，信号的星座图发生刚性旋转，需要通过偏振控制器恢复出原来的星座图， 然后经过s t o k e s 接收机输出s t o k e s 参数；参考信号是通过对发端星座图上全部 信号点的s t o k e s 参数进行估计得到的全体信号点的s t o k e s 参数集，而不是 d p o l s k 里的前一符号对应的s t o k e s 参数。它们通过内积模块与s t o k e s 接收机 输出的s t o k e s 参数内积，然后输入到判决生成模块中；判决生成模块根据最大 1 2 上海大学硕士学位论文 似然( m l ) 准则判决内积值最大的那个信号点为发送信号的估计【2 9 】。 2 3d p o l s k 技术 图2 5p o l s k 解调原理框图 d p o l s k 是利用前后偏振态的变化来调制信息的，它相当于先把调制信号进 行差分编码，再进行图2 4 的p o l s k 调制。d p o l s k 的组成和关键器件和p o l s k 是相同的。 2 3 1d p o l s k 的分类 一、按信号电平数分类 根据调制信号电平数的不同，d p o l s k 可分为二进制d p o l s k 、多进制 d p o l s k 两种，简称2 d p o l s k 、m d p o l s k 。 2 - d p o l s k 是最简单的d p o l s k 系统，使用两个正交的偏振态相对关系表示 “1 码和“0 码。2 d p o l s k 的星座图常选择关于原点对称的两个偏振态。 m d p o l s k 是指二进制以上的d p o l s k 系统，它的星座图是通常是内嵌在彭加 球大圆内的m 边正多变形【l 】【16 1 。 二、按检测方式分类 根据信号的检测方式不同，d p o l s k 可分为直接检测d p o l s k 、相干检测 d p o l s k ，简称d d d p o l s k 、c d d p o l s k 。 d d d p o l s k 不使用本地光源，接收机结构比较简单；c d d p o l s k 需要本 地光源的光信号与光纤的光信号进行相干，相干后的光信号的强度变大，收机 灵敏度要比d d d p o l s k 高很多。 根据相干后低通滤波后光信号的差频是否为零，c d d p o l s k 系统又分为零 差、外差系统，前者相位变化非常敏感，需要光相位锁定；后者输出是中频信 上海大学硕士学位论文 号，对相位检测不敏感，不需要光相位锁定，但信噪比( s n r ) 比前者低3 d b t 2 7 1 。 三、按解调原理不同 按照d p o l s k 接收机是否基于s t o k e s 接收机，可分为基于s t o k e s 接收机的 d p o l s k 系统和基于干涉原理的d p o l s k 系统。前者的解调原理是基于前后符号 对应的s t o k e s 参数的内积实现的；后者的解调原理是依据前后码元的光载波 频率移位差分实现的【8 】。 不是基于s t o k e s 接收机的d p o l s k 系统通常采用光延迟干涉仪或非对称马 赫一曾德干涉仪( a m z ) - 与平衡光电检测器的级联完成差分信号的解调 8 】【3 0 】。 基于s t o k e s 接收机的d p o l s k 系统的灵敏度比基于s t o k e s 接收机的d p o l s k 系统的高，是主流的d p o l s k 系统，本文研究的就是这种系统。 2 3 2d p o l s k 调制技术 d p o l s k 调制通过先对调制信号进行差分编码，然后再进行p o l s k 调制实 现的。 图2 6d p o l s k 调制原理框图 图2 6 是d p o l s k 调制原理框图。偏振器把从光源发出光信号转换成线偏 振光用作光载波，输入到偏振调制器中；数字信号l 经过差分编码后输出为数 字信号2 ，它控制偏振调制器完成偏振态的调制，最后调制光输入到光纤信道 传输。即与数字信号2 对应的星座图上的偏振光( 已调光) 被输入到光纤信道 中。数字信号1 可以是二进制，也可以是多进制，它是用星座图上的偏振态相 对位置来表示的，但数字信号2 与星座图上的偏振态是一一对应的。从图中可 以看到，数字信号2 的调制就是绝对偏振移位键控调制【1 7 1 。 1 4 上海大学硕士学位论文 2 3 3d p o l s k 解调技术 d p o l s k 解调是通过前后符号对应的s t o k e s 参数的内积来实现的。与p o l s k 调制相比，d p o l s k 的参考信号是与当前符号相对的前一符号，因而不需要对所 有的信号点进行估计，大大简化的接收机的设计【1 1 。 d p o l s k 解调需要一个符号周期的延迟来完成前后符号的内积运算。延迟可 分为光路延迟和电路延迟两种，相应的解调方式也有两种。 八 接收机卜_ 一 p s内积 刮t b 函 接收机卜_ 图2 7 光路延迟d p o l s k 解调原理框图 图2 7 是光路延迟d p o l s k 解调原理框图。来自光纤的光信号通过功率分配 器( p s ) 输出两束相同功率的光信号，它们包含相同的调制信息；上边的一路光 信号通过s t o k e s 接收机输出该路的s t o k e s 参数，然后输入到内积模块中；下边 的一路光信号先通过一个光延迟器件延迟一个符号周期后，再通过相同型号的 s t o k e s 接收机输出该路的s t o k e s 参数，然后输入到内积模块中；内积模块把前 后符号所对应的s t o k e s 参数内积后输出到判决生成模块中：判决生成模块根据 的判决门限输出相应的解调信号；最后，由数据恢复模块输出原始数据。 卜 y s t o k e s入 电分路内积 接收机 滞 图2 8 电路延迟d p o l s k 解调原理框图 图2 8 是电路延迟d p o l s k 解调原理框图。来自光纤的光信号通过s t o k e s 接收机输出的s t o k e s 参数( 电信号) ，然后输入到电分路模块中：电分路模块输 出两路含有相同调制信息的电信号，上边路直接输入到内积模块中，下边一 路通过一个电延迟器件延迟一个符号周期后输入到内积模块中；内积模块把前 后符号所对应的s t o k e s 参数内积后输出到判决生成模块中；判决生成模块根据 判决门限输出相应的解调信号；最后，由数据恢复模块输出原始数据。 上海大学硕士学位论文 光路延迟d p o l s k 解调的延迟模块可以通过光无源器件实现，两路光信号 的附加延迟很小，比较适合高速d p o l s k 系统的解调，但需要两个s t o k e s 接收 机，方案比较复杂。与之相反，电路延迟d p o l s k 解调只需要一个s t o k e s 接收 机，而且s t o k e s 参数的的分路、延迟可以很容易在电路实现，可以大大简化 d p o l s k 接收机的结构。电路延迟d p o l s k 解调受到电子器件工作速度的限制， 高速工作性能没有光路延迟d p o l s k 好。 2 4d p o l s k 的关键器件 2 4 1 偏振调制器 常用的调制器是电光调制器，它是基于晶体的线性电光效应，即晶体的折 射率是随施加的电场强度的变化而线性变化实现的，该效应又叫珀克效应。珀 克效应是各向异性的，不同的切割方向的珀克效应系数是不同的，因此，使用 不同切割方向的晶体制作调制器阳。利用晶体珀克效应对光的振幅、相位、偏 振态进行调制分别叫做幅度调制器、相位调制器、偏振调制器。 偏振调制器是p o l s k 发射机设计的关键器件，其作用是把要传输的数字信 息调制到偏振态上，可分为干涉型偏振调制器和非干涉型偏振调制器。 v 唧 图2 9 干涉型偏振调制器原理图 图2 9 是干涉型偏振调制器原理图2 8 1 ，光信号通过偏振分束器( p b s ) 的分路 和合路实现偏振态调制，能产生任意偏振态的偏振光。z 4 线偏振光通过p b s 分解成幅度相等、相位差为零的两束线偏振光，即水平、垂直线偏振光。在两 路互补的调制信号的控制下，幅度调制器( a m ) 分别改变相应线偏振光的幅度； 相位调制器( p m ) 使水平线偏振光产生想要的相移；最后，通过p b s 重新合成一 1 6 上海大学硕士学位论文 路偏振光输出。调整a m 和p m ，就可以得到任意偏振态的偏振光，图中元件 之间的连接用保偏光纤( p m f ) 来实现的。 v ” 帕c 州 图2 1 0 干涉型偏振调制器的一种结构图 图2 1 0 是干涉型偏振调制器的一种结构图，l i n b 0 3 晶体输出的两路光信号 通过p b s 合成一路光信号。它是一种可变的铌酸锂( l i n b 0 3 ) 多电平偏振调制器， 工作波长是1 5 5 0 n m ，带宽是4 g h z 。v 。和v b 采用行波电极，v 。的峰峰值电压 是8 v ，用来调整两个支路的幅度比；v b 的峰峰值电压是1 5 6 v ，用来调整两 个支路的相位差。v m 砌用来实现3 d b 耦合的波长匹配。通过v 。和v b 产生任何 想要的偏振态，从而实现2 p o l s k 、m p o l s k 调制。为了使调制器的啁啾最小， 选用切割方向为x 轴的l i n b 0 3 晶体，这个方向的调制器有高效、均匀的光电场 分布。为了避免光载波不想要的相位偏移，调制器的三个电极需要进行精确的 排列。整个调制器的插入损耗是9 5 d b ，其中l i n b 0 3 晶体部分的损耗是7 5 d b 5 1 。 干涉类型的偏振调制器的结构十分简单，a m 和p m 元件可以使用常用的 光学元件来实现，因而得到了广泛应用。由于受到温度和其它环境因素的影响， 当光沿着两个支路传输时会发生随机相位漂移，使星座图发生随机的刚性旋转， 影响系统的可靠性。当进行高速调制时，这个问题尤其突出。虽然可以采用集 成光学的方法实现干涉型偏振调制器降低上述因素的影响，但是由于干涉型设 备的固有缺陷，随机相位漂移是无法根除的。 非干涉类型的偏振调制器是基于利用l i n b 0 3 晶体电光系数的各向异性实 现偏振态调制。图2 1 l 是非干涉型偏振调制器原理图【2 引，光信号通过起振器后 输出与l i n b 0 3 晶体主轴成万4 的线偏振光，当在晶体上加上横向电场时，晶体 的线性电光效应会使通过晶体n x 、1 1 。两个方向的光分量产生不同的相位变化， 1 7 上海大学硕士学位论文 导致输出端光信号的偏振态发生变化，即输出一个偏振态受外加电压控制的光 信号。l i n b 0 3 晶体相当于一个可调波片，在m 进制信号控制下，可以把星座图 上的m 个信号点一一发射出去。 由于避免了使用p b s 进行偏振光的分解和合并，没有干涉型偏振调制器的 固有缺陷，可以实现高速、稳定的偏振调制。不足之处是调制范围不够大，需 要两个这样的晶体才能实现任意偏振态的调制；只有恰当地选择调制电压，产 生足够的相移