（光学工程专业论文）电信道均衡技术在光突发接收中的应用.pdf

摘要 摘要 光纤传输中由于光纤色散等影响，导致光脉冲展宽，引起码间串扰，形成误 码。传统的光域色散补偿成本高，实施起来非常复杂，工业应用前景受限。而采 用电域色散补偿，即通过电信道均衡技术恢复失真信号，成本低、功耗小、实施 简单。所以电信道均衡技术在光纤通信中具有较强的实用价值。 近年来，d 业务呈爆炸式增长状态。在可以承载口业务的网络以及未来的全 光网络中，存在以突发数据包( 光分组) 的形式进行传输的数据。这种数据包与 传统的连续数据包不同，具有一定的突发性。在光接收机中使用均衡器，如判决 反馈均衡器( d f e ) ，由于没有办法得知突发数据包所携带的传输特性，也就没有 办法选择最佳的均衡器抽头系数。可以在突发数据包中加入训练序列，通过训练 序列初始化抽头系数。然而，突发数据包的长度往往比连续数据包短很多，其中 的训练序列所占的比重会影响系统对于数据的传输效率。 本文就是针对光突发接收这种环境，对于使用d f e 均衡器进行均衡的相关性 能进行研究。通过建立仿真模型模拟实际光纤通信系统，并使用m a t l a b 仿真工 具进行相关仿真，找出对d f e 均衡器均衡效果具有影响的关键因素进行分析和优 化。这些因素包括：训练序列的长度，d f e 均衡器抽头系数初始化所采用的最小 均方误差( l m s ) 算法中的迭代步长，以及系统的传输距离。通过优化，在保证 通信质量的前提下，训练序列长度可以有效减小到2 k b ，以达到尽量提高传输效 率的目的。 针对以下两点，提出两种具体的改进方法：一、d f e 均衡器初始抽头系数的 选择。基于环型城域网网络条件，找到一组更为有效的初始抽头系数。二、对于 来自于不同传输距离的突发数据包，最优迭代步长不同。而光接收机并没有办法 去自动选择优化迭代步长。本文提出一个自动调整迭代步长的方法，有效解决了 这问题。 关键词：光纤通信，码间串扰，突发，电信道均衡技术，判决反馈均衡器 a b s t r a c t a b s t r a c t d i s p e r s i o n i so n eo ft h el i m i t e df a c t o r si nt h e q u a l i t y o fo p t i c a lf i b e r c o m m u n i c a t i o ns y s t e m t h eb r o a d e n e do p t i c a lp l u s e sc o m i n gf r o md i s p e r s i o ni n t e r f e r e w i t l le a c ho t h e r , w h i c hw i l lc a u s ei n t e r - s y m b o l - i n t e r f e r e ( i s i ) a n df i n a l l yw i l lc a u s eb e r r o r t h ei n d u s t r i a lp r o s p e c to ft r a d i t i o n a lo p t i c a ld i s p e r s i o nc o m p e n s a t i o nm e t h o d si s l i m i t e dd u et oh i g hc o s ta n dc o m p l e xt e c h n o l o g y 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 ) ，w h i c hu s e se l e c t r o n i c c h a n n e l e q u a l i z a t i o nt e c h n i q u e s ，s u c h a sd 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 ( d f e ) c a nr e s t o r et h ed i s t o r t e ds i g n a l sw i t hl o wc o s t ，l o wp o w e r , a n ds i m p l et e c h n o l o g y t h ee l e c t r o n i cc h a n n e le q u a l i z a t i o nt e c h n i q u e sh a v es t r o n g p r a c t i c a lv a l u ei no p t i c a lf i b e rc o m m u n i c a t i o n r e c e n t l y , i pb u s i n e s si sg r o w i n ge x p l o s i v e l y i nt h eo p t i c a ln e t w o r k sw h i c hc a n c a l t yi pb u s i n e s s ，a n di nt h ef u t u r ea l l o p t i c a ln e t w o r k , d a t aa l et r a n s f e r r e da sb u r s t p a c k e t s ( o ro p t i c a lp a c k e t s ) d i f f e r e n tf r o mt r a d i t i o n a lc o n t i n u o u sd a t a , b u r s tp a c k e t s c o m ef r o md i f f e r e n tt r a n s m i t t e r s t h er e c e i v e rw h i c hu s e sd f ed o e s n tk n o ww h e r et h e r e c e i v e db u r s tp a c k e t sc o m ef i ：o m s od f ec a n ta d j u s ti t st a pc o e f f i c i e n t s 丽mt h e u n k n o w nc h a n n e lt r a n s m i s s i o nc h a r a c t e r i s t i c s t h r o u g ha d d i n gt r a i n i n gs e q u e n c ei n t o b u r s tp a c k e t s ，d f ec a ni n i t i a l i z ei t s t a pc o e f f i c i e n t sw i 也t h et r a i n i n gs e q u e n c e i n a d d i t i o n , t h el e n g t h so fb u r s tp a c k e t sa r em u c hl e s st h a nt r a d i t i o n a lc o n t i n u o u sd a t a t h e p r o p o r t i o n so ft h et r a i n i n gs e q u e n c e si nb u r s tp a c k e t sc a l li n f l u e n c et h et r a n s m i s s i o n e f f i c i e n c yd i r e c t l y t h er e l a t e dp r o p e r t i e sa b o u tu s i n gd f ea tt h ee n v i r o n m e n to fo p t i c a lb u r s ta r e s t u d i e di nt h i sp a p e r s i m u l a t i o nm o d e li sf o u n d e dt os i m u l a t et h ea c t u a lf i b e r c o m m u n i c a t i o ns y s t e mw i t hm a t l a b t h ek e yf a c t o r s ，s u c ha st h el e n g t ho ft r a i n i n g s e q u e n c e ，t h ei t e r a t i v es t e po ft h em i n i m u mm e a ns q u a r ee r r o r ( l m s ) a l g o r i t h mu s e d f o ri n i t i a l i z i n gd f e e q u a l i z e r st a pc o e f f i c i e n t s ，a n dt h et r a n s m i s s i o nd i s t a n c eo fo p t i c a l f i b e rc o m m u n i c a t i o ns y s t e m ，w h i c he f f e c te q u a l i z a t i o np e r f o r m a n c ea r ea n a l y z e da n d o p t i m i z e d t h r o u g ho p t i m i z i n gt h e s ef a c t o r s ，t h el e n g t ho ft r a i n i n gs e q u e n c ei sr e d u c e d t o2 k bi nt h ep r e m i s eo fe n s u r i n gc o m m u n i c a t i o nq u a l i t y , w h i c hm a k e st h et r a n s m i s s i o n a b s t r a c t e f f i c i e u c yi m p r o v ea sf a ra sp o s s i b l e t w oi m p r o v e dm e t h o d sa l ep r o p o s e d 舶mt w oa s p e c t s ：1 f o rt h es e l e c t i o no fi n i t i a l t a pc o e f f i c i e n t s am o r ee 氐c f i v em e t h o di s f o u n dw i t h i nam o d u l es i m u l a t e d m e t r o p o l i t a na l e ar i n gn e t w o r k ( m a r n ) 2 o p t i m i z e di t e r a t i v es t e p sa r ed i f f e r e n tf o r t h eb u r s tp a c k e t sw h i e hc o m ef r o md i f f e r e n tt r a n s m i s s i o nd i s t a n c e s h o w e v e r , t h e r e c e i v e rc a n ts e l e c ta n do p t i m i z et h ei t e r a t i v es t 印i no r d e rt oe f f e c t i v e l ys o l v et h i s p r o b l e m ，a na u t o m a t i cm e t h o do fa d j u s t i n gt h ei t e r a t i v es t 印i sp r e s e n t e d k e yw o r d s ：o p t i c a lf i b e rc o m m u n i c a t i o n ，i s i ，b u r s t , e l e c t r o n i cc h a n n e le q u a l i z a t i o n ， d e c i s i o nf e e d b a c ke q u a l i z e r i i i 图形列表 图形列表 图1 1 无源光网络结构5 图2 1 色散引起的光脉冲展宽9 图2 2 带均衡器的通信系统框图1 0 图2 3f f e 均衡器结构图1 2 图2 4 判决反馈均衡器的结构1 3 图2 5m l s e 均衡器结构图1 4 图3 1 光纤信道仿真模型2 1 图3 2d f e 均衡器实现模型2 2 图3 3 光突发接收示意图2 4 图3 4 包含d f e 的光突发接收示意图2 4 图3 5 采用d f e 均衡判决和阈值判决时的系统误码情况2 6 图3 - 6 训练序列长度为3 2 k b 时，不同传输距离条件下系统误码情况一2 7 图3 7d f e 均衡器抽头系数收敛曲线2 9 图3 8d f e 均衡器抽头系数初始化中间过程得到的抽头系数3 0 用于均衡后得到的光纤通信系统误码情况3 0 图3 - 9 固定迭代步长，减少训练序列长度对系统误码情况的影响3 1 图3 1 0 训练序列长度对均衡器抽头系数收敛情况的影响3 2 图3 1 1 不同迭代步长对d f e 均衡器抽头系数收敛情况的影响一3 3 图3 1 2 减少训练序列长度并分别优化迭代步长，对系统误码情况的影响 ( 1 2 0 k i n 传输距离) 3 4 图3 1 31 0 0 k i n 传输距离条件下，减+ 0 1 1 练序列优化及迭代步长对d f e 均衡效 果的影响。3 7 v i 图形列表 图3 1 41 5 0 k i n 传输距离条件下，减d , i j l l 练序列及优化步长对d f e 均衡效果的 影响。3 8 图4 1 环形城域网简易模型4 1 图4 2m a r n 网中某网络节点使用d f e 均衡器均衡来自不同节点的突发数据 包4 2 得到的系统误码情况4 2 图4 - 3 不同传输距离条件下采用不同的初始抽头系数得到的均衡效果。4 5 图4 _ 4 两种d f e 均衡器的初始抽头系数对比4 6 图4 - 5 不同传输距离条件下，分别优化和固定迭代步长后得到的d f e 均衡效 果4 7 图4 6 自动调整迭代步长的方法4 8 图4 7 不同传输距离条件下，分别采用优化和自动调整迭代步长后得到的d f e 均衡效果4 9 v i i 表格列表 表格列表 表3 - 1 系统模型中所采用的相关参数设定2 3 表3 2 不同迭代步长的平均误码个数和误码抖动的比较3 4 表4 - 1 系统误码稳定性情况的比较5 0 v u i 缩略字表 i s i d c f f f e d f e l v 。s e z f l m s r l s o n u o l t g v d m s e o o k 缩略字表 i n t e r - s y m b o l - i n t e r f e r e 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 f e e d f o r w a r de q u a l i z a t i o n 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 m a x i m u m - l i k e l i h o o ds e q u e n c ee q u a l i z a t i o n z e r of o r c i n g l e a s tm e a ns q u a r e r e e u r s i v el e a s ts q u a r e o p t i c a ln e t w o r ku n i t o p t i c a ll i n et e r m i n a l g r o u pv e l o c i t yd i s p e r s i o n m e a ns q u a r ee r r o r o n o f fk e y i n g i x 码间串扰 常规色散补偿光纤 前向均衡 判决反馈均衡 最大似然比均衡 迫零算法 最小均方误差算法 递归最小二乘法 用户网络单元 光线路终端 群速度色散 均方误差 开关键控 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：二l 基雠日期：砷。年7 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) 日期：为加 第一章绪论 1 1 课题的背景 第一章绪论 光纤通信自问世以来，引起了通信领域的革命性变化。与传统的电通信相比， 光纤作为传输介质，具有通信容量大、中继距离远、保密性好、抗干扰能力强等 突出的优点。随着互联网技术的发展，光纤通信技术正在突飞猛进，并作为现代 通信的主要手段，成为推动信息社会进步的中坚力量。 目前，光纤通信的发展方向主要有：高速率、大容量、超长距离传输的光纤 通信系统；光传输与交换技术融合的全光通信网络。但是由于光通信受限于现在 的光技术和光器件，还无法实现全光网络。当前，如何利用现有光通信网络及相 关电技术，实现更大容量、更远传输距离的光通信更具价值。 色散是影响光纤传输的重要因素之一：它能引起光脉冲展宽，形成码间串扰， 造成误码。色散也是目前光纤通信系统的主要限制因素。由于光放大技术和光纤 放大器的发展，光纤损耗的限制已经基本解除。但光放大器不能把输出信号恢复 原形，引入的色散累积，严重限制了光纤通信系统的传输速率和传输距离。因此， 需要采用色散补偿技术使输出的光信号恢复原形。迄今为止，国内外铺设的光纤 干线绝大部分为g 6 5 2 光纤。在g 6 5 2 光纤上实现高速系统，关键问题也是色散补 偿【l 】。传统的光域色散补偿手段有：使用常规色散补偿光纤( 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 ) 、使用光纤光栅补偿模块等。传统的光域色散补偿技术，不需 要光电转换，只需要在光域上对色散进行补偿。由于其操作相对简单，似乎更适 合于高速光纤通信的要求。然而，一方面随着信息传输速率的不断提高，偏振模 色散也会更加明显，对于温度和压力等外界环境压力十分敏感，很难再用光技术 进行补偿。另一方面，随着动态网络的出现，光信号经过的线路发生改变时，如 路由选择发生变化，则需要对色散进行动态补偿，传统的光域色散补偿技术也无 法实现这种动态补偿。近年来，随着数字集成电路技术的不断成熟及实现成本较 低，人们逐渐重视利用电域的处理技术来实现光纤色散的动态补偿，并称之为电 域色散补偿技术，也就是电信道均衡技术。 随着光交换网络及无源光网络的不断发展，与此相关的光突发接收技术也受 电子科技大学硕士学位论文 到广泛关注。在这样的网络背景下，由于采用光纤作为传输介质，所以同样存在 色散。而本文就是以光突发接收环境为背景，研究如何利用电信道均衡技术进行 色散补偿。 1 2 电信道均衡技术 电信道均衡技术，与传统的光域色散补偿技术相比，具有很多优点【2 】：首先， 它成本低；其次，由于电子器件便于系统集成，不会因此引入插入损耗；再者， 可以通过电处理，动态的补偿光纤链路中的色散变化。因此，电信道均衡技术成 为了当前许多研究机构研究的热点。 电信道均衡技术实际上就是在接收端串接一个校正滤波器，一方面对基带信 号做成形滤波，另一方面补偿光纤信道引起的信号畸变、克服码间串扰( i s i ， i n t e r - s y m b 0 1 i n t e r f e r e ) 。这个滤波器通常叫做均衡器。换句话说，均衡器就是起补 偿作用的滤波器。从时域角度看，均衡器就是依据奈奎斯特第一准则，通过调整 抽头系数，对产生畸变了的时域波形进行校正，克服码间串扰，从而实现时域均 衡。从频域角度考虑，均衡器是在接收端的信号处理中先对信道进行估计，然后 用估计的信道传输特性，以求逆的方法得出对应均衡器对应的传输特性，对接收 信号进行均衡，使得包括均衡器在内的整个信道的综合传输特性满足理想低通或 等效理想低通滤波器的传输特性【3 】。 电信道均衡技术早已经在传统电通信系统、无线移动通信系统、以及微波传 输系统等环境中得到了广泛的应用。早在上世纪9 0 年代，就有学者提出在光传输 系统中使用电信号处理的方式对失真信号进行均衡【4 】。但由于光信号传输速率非常 高，在光域中使用这一技术，一直受困于电子处理速度的瓶颈，直到上世纪末才 出现了第一个使用电信道均衡技术的光传输系统【5 】。近年来的研究表明，电信号处 理速度得到快速的提高，特别是模数转换器作为最基本的信号处理单元，其速度 已经可以达到2 0 gs a m p l e s 以上睁7 】。这可以说明电均衡技术中对1 0 g b i t s 速率的 信号进行采样已经可以实现。同时，集成电路技术的大规模高速发展，也使得电 信道均衡技术补偿光传输损伤的实现价值重新受到人们的重视。而随着光纤通信 网络的速率不断提高，对于这种可以实现高效动态色散补偿的电信道均衡技术的 需求也越来越迫切。 光纤通信中常用的电信道均衡技术有：前向均衡( f f e ，f e e d f o r w a r d 2 第一章绪论 e q u a l i z a t i o n ) 技术、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 ) 技术 和最大似然序列均衡( 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 q u a l i z a t i o n ) 技术 等 8 l 。这些均衡技术可以在不同程度上克服码问串扰。 对于前两种均衡器，其均衡效果的好坏都决定于均衡器的抽头系数的选择情 况。因此如何优化其抽头系数就成了研究这类信道均衡技术的重点。传统的均衡 器抽头系数优化的方法包括：迫零算法( z f ， z e r of o r c i n g ) 、最小均方误差算法 ( l m s ，l e a s tm e a ns q u a r e ) 、递归最小二乘法( r l s ，r e c u r s i v el e a s ts q u a r e ) ， 以及基于这些优化方案的迭代或盲均衡技术等【9 】。这些系数优化方法不仅在高斯白 噪声信道中得到了大量的研究，而且在光纤色散信道环境下也进行了均衡器性能 的相关研究 1 0 - l l 】。实际上，对于这两种均衡器来说，它们并不能区分不同原因导 致的码间串扰，因此工作原理都相同，只是性能上由于信道特性的不同而略有差 别。 针对上面两种均衡器的相关理论和仿真结果已经出现了一些实验验证。而实 验实证中的关键在于其集成电路的实现。已经有大量成果报道：a l c a t e l 公司和 i n f i n e o n 合作开发出用于4 3 g 传输系统的f f e 均衡器【l2 1 。英国伦敦大学和h t e l 公 司合作开发出用于1 0 g 传输系统的d f e 均衡器【1 3 1 、加拿大q u a k e 公司开发出基于 b i c m o s 工艺的用于1 0 g 多模光纤传输系统的f f e + d f e 均衡器【l4 1 、m m 公司开 发出用于1 0 g 多模光纤传输系统的c m o s 均衡器【1 5 1 。美国a u b u r n 大学研究小组 演示了基于s i g e 工艺的用于1 0 g 传输系统的均衡裂1 6 】等等。从以上这些报道文献 中可以获知，这两种均衡器的实现方式主要有模拟和数字两种集成电路。模拟集 成电路的实现，是将接收到的电信号波形直接进行时延处理后，再按照相应系数 的权重进行加权，但是加权之后会改变电信号的原有波形，从而影响阈值判决等 后续电路的工作，这种方式更适合于f f e 均衡器的实现。而数字集成电路的实现， 首先是对电信号波形进行采样，再对采样值按照相应系数的权重进行加权，最后 对加权后得到的值进行判决。 对于m l s e 均衡器，它与前两种均衡技术不同，它不再针对单个符号，而是 基于比特序列的判决技术，例如采用维特比判决算法( v i t e r b ia l g o r i t h m ) 。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，同样包 括理论和仿真研究以及实验验证。其中，理论仿真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【1 7 珈】。经理论仿真研究表明， m l s e 可以获得比f f e 和d f e 均衡器更好的系统误码率性能，但是实现起来要复 杂很多。 3 电子科技大学硕士学位论文 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的研发和关注的内容。德国c o r e 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 3 a mc m o s 工艺的m l s e 均衡器刚； 本文将这几种均衡技术进行比较后，折衷选取采用了判决反馈均衡器，着手 于研究其在光突发接收环境下的应用，并探讨了影响其均衡效果的相关参数如何 进行优化。而如何优化这些参数提高均衡效果也就成了本文研究的重点。 1 3 面向i p 业务的光网络 近年来，以d 业务为主导的数据业务呈现爆炸式增长的态势。互联网用户数 的激增以及新型网络业务的不断涌现，使数据业务对网络带宽增加的需求日益迫 切。 下面对可以承载礤业务的无源光网络，光突发交换网络，以及下一代承载p 业务的光分组交换网络，也就是本文所研究的网络背景环境，作简单的介绍【2 2 彩】。 1 无源光网络 以太网帧格式与p 数据格式是一致的，特别适合疋业务的传输。而无源光网 络是由无源光器件组成，带宽高、可靠性高、成本低，可升级，优势非常明显， 而且可以实现以太网的无缝接入，特别适合宽带接入市场向口化发展的潮流。 在无源光网络中，如图1 1 所示，利用时分多址复用技术，将通信时间划分成 若干相等时隙，每一时隙分配给特定用户网络单元( o n u ，o p t i c a ln e t w o r ku n i t ) 。 这种时隙的分配方案是由光线路终端( o l t ，o p t i c a ll i n et e r m i n a l ) 所决定的。在 上行方向( o n u o l t ) 上，各o n u 则根据所分配的时隙，顺序传输数据信息。 并在一定的控制机制下，使得来自不同o n u 的上行数据信息，可以按固定顺序在 耦合器处汇合。在下行方向( o l t - o n u ) 上，o l t 对已经接收到的来自不同o n u 的数据信号进行时分多路复用，并将复用后的数据信息发送到一根馈线光纤里， 经光分路器分路功率，并广播至所有的o n u ，而每个o n u 只取出对应本时隙里 的信息。其中，上行的数据传输不同于传统的连续数据包传输，对于接收上行数 据的接收机来说，它所接收的数据信息来源于不同的发送节点，其幅度和相位变 化很大，突发性很强。在这种情况下，如果仍然采用传统的光接收机，必然会引 起一系列问题。因此，引入了光突发接收的相关问题。 4 第一章绪论 图1 - 1 无源光网络结构 2 光突发交换网络 光突发交换技术是由q i a oc h u n m i n g 等人提出的，其初衷是在较大粒度的光波 长路由和较细粒度的光分组交换两者之间进行折衷 2 4 1 。突发数据包是由两部分组 成：数据分组、控制分组。两者彼此独立，在时间上和空间上都是分开进行传输 的：控制分组先发送，并在中间节点经过电处理为数据分组预留资源。而数据分 组在控制分组之后传送，在中间节点得到预留好的资源，无需光电光处理。光突 发交换采用单向资源预留机制，带宽利用率高，交换灵活，数据透明，交换容量 大。并且它可以实现面向p 突发业务的快速资源分配和高资源利用率，因此可以 有效的支持上层协议或高层用户的突发业务。很有可能在未来互联网中扮演关键 角色。 但是光突发交换技术也存在一些不足：现有的光开关技术实现时，交叉连接配 置时间相对于突发数据发送周期可能较长，使网络利用率变得非常低；在数据传 输之前需要提前建立通道，增加了网络时延和额外开销；同时光突发交换网络的 边缘路由器的设计也具有一定的难度。 3 光分组交换网络 光分组交换技术于1 9 6 1 年由p a u lb a h a n 博士等人提出，并在1 9 6 4 年公布于 世 2 5 之6 1 。它是一种无连接的交换方式，同样采用单向资源预留机制，但是在进行 数据传输前不需要建立路由、分配资源。光分组交换是在光层上以光分组为单位 实现对波长通道的统计复用，带宽利用率高、适应性好，数据比特率高、模式透 明性强、非常适合p 那样的突发数据的传输，可以高效承载口业务 2 7 。3 们。其数据 5 电子科技大学硕士学位论文 包的格式为由固定长度的光分组头、净荷和保护时间三部分组成。其中，净荷的 传输和交换是在光域中进行的，而光分组头的处理和控制理论上既可在光域也可 以在电域中完成。但是现阶段由于受限于光技术和光器件的发展，主要是在电域 上实现的。 光分组交换网络以其更细的交换粒度实现了快速分配光信道，成为下一代全光 网络的关键技术，应用前景广阔。但是也存在发展障碍：目前相关的光器件和光 技术尚不成熟，控制部分还只能在电域上完成，仍然受限于电子器件的处理速度。 1 4 论文各部分的主要研究内容 本人在硕士学习阶段和课题研究期间，主要就光纤通信系统中的电信道均衡 技术d f e 均衡技术进行了系统的研究分析。并将其应用于光突发接收的背景环 境下。主要工作如下： 对电信道均衡技术的原理以及光突发接收的应用背景环境，进行深入调研与 分析；对影响均衡器均衡效果的抽头系数的调整算法进行了学习和分析。特别是 针对采用l m s 算法初始化抽头系数的d f e 均衡器的均衡效果进行分析，以及对 影响其均衡效果的相关参数进行优化，并模拟实际传输系统给出了对应解决方案。 围绕以上工作，本文以光突发接收环境下的电信道均衡技术珈f e 均衡技 术为核心展开，其具体结构安排如下： 第1 章绪论，主要介绍了电信道均衡技术的应用和发展状况，以及本课题的 研究背景光突发网络环境。 第2 章电信道均衡技术。顺序介绍了电信道均衡技术补偿光纤色散的原理、 电信道均衡器的分类及其比较、以及常用于调整均衡器抽头系数的l m s 算法。在 综合比较几种均衡器的特点后，选择采用了更具备应用前景的均衡器d f e 均 衡器。并将l m s 算法作为d f e 均衡器抽头系数的调整算法，为后面的研究提供 了理论依据。 第3 章d f e 均衡技术在光突发接收环境中的应用分析及优化。基于前面的理 论分析和讨论，本章在光突发接收的环境背景下，根据突发数据的特点，对影响 d f e 均衡器均衡效果的关键性因素进行了分析，并在保证系统通信质量的前提下 对其进行优化。这些因素主要包括突发数据包中用于d f e 均衡器抽头系数初始化 的训练序列长度，l m s 算法中所采用的迭代步长，以及光纤通信系统的传输距离。 6 第一章绪论 第4 章d f e 均衡技术在光突发接收环境中应用的改进方法。结合第3 章的分 析和优化，进一步研究了在光突发接收环境下影响d f e 均衡器均衡效果的因素， 分别从两个方面，提出了改进方案。方面一：d f e 均衡器的初始抽头系数的选择 对均衡效果的影响。并基于环形城域网的背景，提出了改进方案。方面二：对于 来自于不同传输距离的突发数据包，为了提高均衡效果，需要采用不同的最优迭 代步长。本文提供一种自动调整迭代步长的方法，使d f e 均衡器抽头系数可以快 速稳定地收敛。 第5 章结论和展望。 7 电子科技大学硕士学位论文 2 1 光纤中的色散 第二章电信道均衡技术 光纤中的色散是由于不同模式或者波长的光信号在传输过程中产生了不同的 时间延迟的一种物理效应。由于不同波长的光脉冲，在光纤传播中具有不同的速 度，因此色散反映了光脉冲沿光纤传播时的展宽。这种光脉冲的展宽对光纤通信 具有极为不利的影响。在光纤数字通信中，光脉冲由于各自展宽使得相邻光脉冲 彼此重叠，产生了码间串扰，从而形成传输码的失误，造成误码。为了避免码间 串扰，就要加大光脉冲彼此间的间距，却降低了传输速率，从而限制了光纤通信 的传输容量。除此之外，光脉冲的展宽程度会随着光纤传输距离的加大而愈发严 重，极大地限制了光纤的传输距离。为了避免码间串扰，光信号的传输速率和光 纤的传输距离都要减少。因此，了解色散产生的机理，并探讨减少色散影响的方 法对实现高速光纤通信具有举足轻重的意义。而实际上，可以通过色散补偿技术 克服码间串扰，提升光纤通信系统传输容量和传输距离。 2 2 电信道均衡技术补偿光纤色散的原理 信道特性的不理想导致传输损伤，如色散引起码间串扰。在理想的传输系统 中，输出信号相对于输入信号，会有一定的幅度变化和时间延迟，但波形却不会 发生失真。对于理想的无失真传输，输出信号可以表示为 3 1 - 3 2 y ( t ) = k x ( t - ) 式中，k 为幅度增益常数， 可以得到： y ( f ) = k x ( f ) e x p ( - i 2 x f r ) ( 2 1 ) f 为时间延迟常数。对式( 2 1 ) 两边进行傅里叶变换 则无失真传输系统在频域内的传递函数为： ( 2 2 ) 第二章电信道均衡技术 日( 门= y ( f ) x ( f ) - - - ke x p ( - i 2 x f r ) = i h ( f ) le x p ( - i ( f ) ) ( 2 3 ) 可见该传递函数的幅频响应为常数，相频响应是频率的线性函数，且直流分 量的相移为o 。从而使得每个频率成分有相同的延迟，在接收端迭加后可以重现信 号原形。然而式( 2 3 ) 要求传输系统的频带是无限宽的，实际上这样的系统并不 存在，现实的通信系统的带宽都是有限的。而频域受限的系统的时域响应却是无 限的。所以时域上的波形必定有很严重的展宽，使得相邻码元互相重叠，即形成 了码间串扰。 特别地，对于光纤通信系统，光脉冲信号的传输方程可表示为【3 3 】 差t 反筹一i 1 鸬_ 矛0 3 a = o ( 2 - 4 ) 式中，a 为脉冲的包络幅度，尾为群速色散g v d ( 二阶色散) ， 在屈 l p s 2 k m 时，屈的影响可以忽略，此时方程解为 彳( 乞丁) = 去二j ( 。，国) e x p ( 2 尾z 国2 一z 砑) d 屈为三阶色散。 ( 2 5 ) 式中，z 为光纤传输距离，彳( o ，f ) 为初始脉冲的包络幅度，五( o ，彩) 为a ( 0 ，f ) 的傅 里叶变换。由式( 2 - 5 ) 可以看出，相位因子e x p ( f 屈z c 0 2 2 ) y l n t n y n m n n 导 伤害。此相位因子是由于光脉冲在光纤传输过程中不同的频谱分量传输速度不同 引起的。也正是因为这个相位因子使得光脉冲信号展宽，相邻光脉冲彼此重叠， 如图2 1 所示。 光输入脉冲展宽后的光脉冲 图2 - 1 色散引起的光脉冲展宽 已有研究发现，如果整个通信系统的传递函数何( 纠满足 3 4 】 莩脚+ z 争= ，悱；恍i ，2 “ 像6 ) 9 电子科技大学硕士学位论文 例如，对于理想低通滤波系统 j j l ( f ) ：盟s i n - o j , h 了( t - r ) ，( = x l t ，o f 丁) ( 2 7 ) 万 彩【f f j 其冲激响应满足式( 2 6 ) ，其中f 为接收机抽样定时时刻与输入符号定时时刻之间 的偏移量。那么以速率2 厶= 1 丁传输信号，就可以实现在取样点t = i t + r 处没有 码间串扰。 然而实际工程中，很难使得系统总的冲激响应满足理想低通滤波器，常用升余 弦幅度滚降滤波器模型来逼近 日( 妫= 1 o 5 1 1 + s m 五t 【亍x 一训二石工 o 。l 叫 学 ( 1 - a ) x 业 r 丁 i 申学 ( 2 8 ) 式中滚降系数0 口s 1 。 目前克服码间串扰的最有效和最成熟的方法就是信道均衡技术。为了消除码间 串扰，系统传递函数的特性必须与符号发送速率相对应。所以均衡器的任务就在 于对整个传输通道的频谱特性进行调整，使其满足式( 2 7 ) 或者式( 2 8 ) 。 从频域角度来看，整个通信系统如图2 2 所示： 输入f 发射滤波器 厩 信道 h 蝓 接收滤波器 h 鼢 均衡滤波器i 输出 蚴r 图2 - 2 带均衡器的通信系统框图 整个通信系统的传递函数为 日( 门= 置( 厂) 皿( 门耳( 门皿( 厂) ( 2 9 ) 整个系统的传递函数如果可以满足升余弦函数则可避免码间串扰。实际系统中的 皿( 厂) 并不可能是充分已知的，所以通常选择可以匹配的发送滤波器和接收滤波 器，使它们的传递函数均为平方根升余弦函数，则 日( 厂) = 皿( 门耳( 门 1 0 ( 2 1 0 ) 第二章电信道均衡技术 综合式( 2 9 ) 可以得知，补偿信道失真的均衡器的传递函数与信道传递函数 成倒数关系： 1 1 - c ( f ) 2 丽12 南州娩u ) ) 。d 显然，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，则均衡器就必须对所有模块的传递函数估计和求逆。 也可以从时域角度进行均衡分析。假定均衡器的形式为横向滤波器，具有2 n 个延时单元和2 + 1 个抽头系数。均衡器的单位冲激响应为： 吃( f ) = c k s ( t - k t ) k = - n 则当输入信号为y ( t ) 时，输出信号为： z ( f ) = y o ) 圆吃( f ) = c k y ( t - k t ) k = - ( 2 1 2 ) ( 2 1 3 ) 均衡器通过选择合适的抽头系数c k ，可以消除前后个符号对f = n t 时刻抽 样点所产生的码间串扰。假定到达均衡器的脉冲波形相同，则 z ( i t ) = c k y ( i t - k t ) = 1 k = - n z ( 泖= c k y ( i t - k t ) = 0 求解上面方程组可以得到( 捌- + 1 ) 个抽头系数，从而消除码间串扰。 实际上，y ( t k t ) 并非只有码间串扰，而是附加了噪声的影响，所以通过求解 式( 2 1 4 ) 得到的抽头系数会比理想值有所偏差。 在光纤通信中，色散是产生码间串扰的主要原因，严重制约光纤通信质量。目 前光纤中使用电处理技术的瓶颈已经基本上解决，电信道均衡技术也可以被用来 补偿光纤色散。虽然在光纤通信中，由于采用光接收机引入了非线性效应，整个 通信系统的传输特性不能完全表示成以上的线性模型。但是却同样可以在光纤通 信系统中使用，如f f e 和d f e 这样的均衡器，在一定程度上降低系统误码率。 42 2 0 = 滓h 电子科技大学硕士学位论文 2 3 电信道均衡器及其分类 目前，针对频域上和时域上克服码间串扰分别有频域均衡和时域均衡。频域 均衡是使整个系统的传递函数满足式( 2 3 ) 这一无失真传输条件，但是条件比较 苛刻。而时域均衡直接从时间响应出发，只需求满足奈奎斯特准则且仅在判决点 满足无码间串扰的要求，条件相对宽松。所以，在光纤通信中一般采用时域均衡。 常用的时域均衡器有三种：前向反馈均衡器( f f e ) 、判决反馈均衡器( d f e ) 以及最大似然序列估计均衡器( m l s e ) 。前向反馈均衡器属于线性均衡器，判决 反馈均衡器和最大似然序列估计均衡器为非线性均衡器。下面将一一对其进行介 绍。 2 3 1 前向均衡器( f f e ) f f