（光学工程专业论文）光纤通信系统中mlse均衡器的性能分析及优化.pdf

摘要 摘要 最大似然序列估计( m l s e ) 均衡技术是一种基于维特比判决算法 ( v i t e r b ia l g o r i t h m ) 的技术，用于改善码间串扰( i s i ，i n t e r - s y m b o li n t e r f e r e n c e ) 信道 的性能。对于加性高斯白噪声的信道，m l s e 被认为具有最佳的性能。 对于高速光纤通信系统，色散是其主要制约的因素，限制了系统的传输容量。 色散效应会导致光脉冲展宽，这种脉冲的展宽会造成i s i ，增加误码率，降低系统 的性能。除了传统的色散补偿光纤外，电信道均衡技术可以用来实现色散的动态 补偿，m l s e 就是其中的一种。因为集成电路的低成本优势和随着电信号处理技 术的迅速发展，各大光纤设备制造商对该技术进行了大量的研究。关于m l s e 均 衡技术在光纤通信系统中的研究，从2 0 0 5 年开始逐渐增多，既包括理论和仿真的 系统性能的研究，也包括实验验证。 对m l s e 均衡技术的性能分析及优化是本文的重点，本文的主要工作有t 首先介绍了数字光纤通信系统，光发射机和光接收机的主要结构，分析了各 器件对系统所起的作用以及带来的负面影响。然后介绍了m l s e 技术的v i t e r b i 算 法的译码过程，并在加性高斯白噪声信道下推导了序列估计的判决公式。 分析了一种数字光纤通信系统模型，该模型的噪声主要来源于接收机的热噪 声。在该模型下仿真分析了m l s e 均衡技术的性能，并在理论公式推导下，提出 了一种性能更佳的算法。但该算法计算比较复杂，接着又从简化该算法的目的出 发，提出了两种优化方法，通过对比找到了一种性能最佳的优化方法。 最后分析了噪声主要受放大自发辐射( a s e ) 影响的系统模型，该模型下接收端 的信号不是高斯分布，而是更复杂的c h i 平方分布，在这种模型下分析了a s e 噪 声和色散对系统性能的影响，利用上一个模型中的优化方法，仿真验证了这些方 法的优化性能，最后提出了两种简化判决公式的算法，对并且对比了这两种方法 的性能。 关键词：光纤通信，最大似然序列检测，码间串扰，放大自发辐射，热噪声 a b s t r a c t a b s 仃a c t m a x i m u ml i k e l i h o o d s e q u e n c ee s t i m a t i o ni s at e c h n o l o g yb a s e d0 1 1v i t e r b i a l g o r i t h m ，i ti su s e dt oi m p r o v et h ep e r f o r m a n c eo fi s ic h a n n e l f o rt h ea d d i t i v ew h i t e g a u s s i a nn o i s ec h a n n e l ，m l s ei sc o n s i d e r e dt oh a v et h eb e s tp e r f o r m a n c e f o rh i g h - s p e e do 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 s ，d i s p e r s i o ni st h em a i n c o n s t r a i n tf a c t o r , w h i c hl i m i t st h es y s t e m st r a n s m i s s i o nc a p a c i t y d i s p e r s i o ne f f e c t sw i l l l e a dt oo p t i c a lp u l s es t r e t c h e r , w h i c hc a l lc a u s ei s i ，r e s u l t i n gi nt h ed o s w eo ft h e r e c e i v e d s i g n a le y ed i a g a m ，i n c r e a s i n gt h es y s t e mb i tg i t o rr a t e ，r e d u c i n gt h e t r a n s m i s s i o nd i s t a n c e ，r e d u c i n gt h ep e r f o r m a n c eo fo 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 na d d i t i o nt ot r a d i t i o n a ld i s p e r s i o nc o m p e n s a t i o nf i b e r , t h et e l e c o m m u n i c a t i o n sc 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 sg a sb eu s e dt o a c h i e v ed y n a m i cd i s p e r s i o nc o m p e n s a t i o n ， m l s ei so n eo ft h e m w i t ht h es i g n a lp r o c 懿s i n gt e c h n o l o g ya n dt h ei n h e r e n tc o s t a d v a n t a g e so fi n t e g r a t e dc i r c u i t s ，t h em a j o rf i b e ro p t i ce q u i p m e n tm a n u f a c t u r e r sh a v e t h e t e c h n o l o g y t oc a r r yo u tal a r g en u m b e ro fs t u d i e s t h er e s e a r c ho fm l s e e q u a l i z a t i o ni no 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 ms t a r t i n gi n2 0 0 5g r a d u a l l yi n c r e a s e d ， b o t hi nt h e o r ya n ds i m u l a t i o no fs y s t e mp e r f o r m a n c es t u d i e s ，i n d u i n ge x p e r i m e n t a l v e r i f i c a t i o n t h i sa r t i c l ef o c u s e so np e r f o r m a n c ea n a l y s i sa n do p t i m i z a t i o no fm e s e t h em a i n w o r ko ft h i sa r t i c l ei s ： f i r s ti n t r o d u c e dt h ed i g i t a lf i b e ro p t i cc o m m u n i c a t i o ns y s t e m s ，o p t i c a lt r a n s m i t t e r a n do p t i c a lr e c e i v e ro ft h em a i ns t r u c t u r e ，a n a l y s i so fv a r i o u sc o m p o n e n t so ft h es y s t e m p l a y e dar o l ea n db r i n gn e g a t i v ei m p a c t t h e ni n t r o d u c e dv i t e r b ia l g o r i t h md e c o d i n g p r o c e s sa n da n a l y z e dt h ed e c i s i o ns e q u e n c ee s t i m a t i o nf o r m u l aw i t ht h ea d d i t i v ew h i t e g a u s s i a nn o i s ec h a n n e l a n a l y z e dad i g i t a lf i b e ro p t i cc o m m u n i c a t i o ns y s t e mm o d e l ，t h en o i s eo ft h em o d e l c o m e sm a i n l yf r o mt h et h e r m a ln o i s ef r o mt h er e c e i v e r a n a l y z e dt h ep e r f o r m a n c eo f m l s ew i t hs i m u l a t i o ni nt h i sm o d e l f o r m u l ai nt h et h e o r y , p r o p o s eaa l g o r i t h mw i t h b e t t e rp e r f o r m a n c e h o w e v e r , t h ea l g o r i t h mi sm o r ec o m p l i c a t e d ，f o rt h ep u r p o s eo f i i a b s t r a e t s i m p l i f y i n gt h ea l g o r i t h m , t h i sp a p e rp r o p o s e dt w oo p t i m i z a t i o nm e t h o d s ，a n df o u n da b e s tp e r f o r m a n c eo f t h eo p t i m i z a t i o nm e t h o db yc o m p a r i n g f i n a l l y , a n a l y z e das y s t e mm o d e lo fw h i c ht h en o i s ei sm a i n l yt h ea m p l i f i e d s p o n t a n e o u se m i s s i o nn o i s e a tt h er e c e i v e r , t h es i g n a li sn o tg a u s s i a n , b u tc h is q u a r e d i s t r i b u t i o nw h i c hi sm o r ec o m p l e xi nt h i sm o d e l a n a l y z e dt h en o i s ea n dd i s p e r s i o no n s y s t e mp e r f o r m a n c ei nt h i sm o d e l u s i n gt h ep r e v i o u sm o d e lo p t i m i z e dm e t h o d ，s t u d i e d t h ep e r f o r m a n c eo ft h e s eo p t i m i z e dm e t h o d s 丽t l ls i m u l a t i o n f i n a l l y , p r o p o s e dt w o a l g o r i t h mt os i m p l i f i e dt h ed e c i s i o nf o r m u l a , a n dc o m p a r e t h ep e r f o r m a n c eo ft h e s et w o m e t h o d s k e y w 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 ，m l s e ，i s i ，a s e ，t h e r m a ln o i s e 1 1 1 图形列表 图1 1 图2 1 图2 2 图2 3 图2 4 图2 5 图3 1 图3 2 图3 3 图3 4 图3 5 图3 6 图3 7 图3 8 图3 9 图3 1 0 图4 - 1 图4 2 图4 - 3 图4 - 4 图4 5 图禾6 图4 _ 7 图4 _ 8 图形列表 光纤通信系统的组成1 半导体光源的直接调制原理8 数字光纤通信接收机8 码间串扰示意图l o v i t e r b i 算法的网格图1 1 v i t e r b i 译码器结构11 接收机噪声及其分布一1 5 光纤通信系统中m l s e 均衡器的仿真模型1 6 传输距离为1 0 0 k i n 时m l s e 的性能1 9 传输距离为2 0 0 k i n 时m l s e 1 的性能2 0 传输距离为3 0 0 k m 时a m l s e 1 的性能2 2 传输距离为4 0 0 k i n 时舭s e 1 的性能2 3 传输距离为2 0 0 k i n 时m m l s e 1 的性能2 5 传输距离为3 0 0 k i n 时m m l s e 1 的性能2 5 传输距离为2 0 0 k i n 时s m l s e 1 的性能2 7 传输距离为3 0 0 k i n 时s m l s e 1 的性能2 7 引入a s e 噪声的系统模型图3 0 零阶修正贝塞尔函数和其近似函数的曲线图3 3 传输距离为1 0 0 k i n 和2 0 0 k i n 时m l s e 1 和m l s e 2 的性能3 4 传输距离为1 0 0 k i n 和2 0 0 k r n 时m m l s e 2 的性能3 8 传输距离为10 0 k i n 和2 0 0 k m 时s m l s e 1 的性能3 9 传输距离为1 0 0 k i n 和2 0 0 k i n 时s m l s e 2 的性能4 0 传输距离为1 0 0 k i n 和2 0 0 k i n 时，高斯近似的m l s e 2 的性能4 2 传输距离为1 0 0 k r n 和2 0 0 k i n 时，直接简化的m l s e 2 的性能4 4 v i 缩略语 缩略语 m l s em a x i m u ml i k e l i h o o ds e q u e n c ee s t i m a t i o n 最大似然序列估计 i s i i n t e r - s y m b o li n t e r f e r e n c e 码间串扰 f f ef e e d - f o r w a r de q u a l i z a t i o n 前向均衡 d f ed 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判决反馈均衡 d c f d i s p e r s i o nc o m p e n s a t i o nf i b e r 色散补偿光纤 溺v i t e r b ia l g o r i t h m 维特比算法 m l s dm a x i m u ml i k e l i h o o ds e q u c ed e t e c t i o n 最大似然序列检测 l dl a s e rd i o d e 半导体激光器 l e d l i g h te m i t t i n gd i o d e 半导体发光二极管 i m d d i 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 i o n 强度调制一直接检波 b m ub r a n c hm e t r i cu n i t分支度量单元 a c s u a d d - c o m p a r e s e l e c tu n i t 加一比一选单元 s f l js u r v i v o rm e m o r yu n i t 幸存路径存储单元 o o ko n o f fk e y i n g开关键控 a s e a m p l i f i e ds p o n t a n e o u se m i s s i o n 放大自发辐射 v 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己在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 签名： 至已垂，日期：厶fp 年多月2e l 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) 签名： 里陆 导师签名： e t 期：2 卜 - 懈 么 一j 律r 日、口 第一章绪论 1 1 光纤通信系统概述 第一章绪论 通信系统是将信息从一个地方传送到另外一个地方，近代的通信技术主要分 为电通信和光通信两类。其中电通信是相当成熟的通信技术。在通信技术的迅速 发展过程中，围绕着增加信息传输的速率和距离，提高通信系统的有效性、可靠 性和经济型方面进行了许多工作，取得了很多卓越的成就。而光通信技术则是当 代通信技术发展的最新成就，已经成为了现代通信的基石，是未来信息社会中各 种信息的主要传送工具。 将光纤用做通信的信道就基本构成了光纤通信系统，如图1 1 所示，由光发、 射机、光纤信道和光接收机等基本单元组成，此外，系统中还包含一些互连与光 信号处理的器件，如光纤耦合器、隔离器、调制器、滤波器、光开关和路由器等。 在长距离通信系统中还有中继器，以补偿光信号在光纤传输中的损耗。 图1 l 光纤通信系统的组成 光发射机的作用是将电信号转化为光信号，并将生成的光信号耦合进入信道。 光发射机中的最重要器件是用作电光转换的半导体光源，目前主要采用的有半导 体激光器( l d ) 或半导体发光二极管( l e d ) 。 在光纤通信系统的线路上，因为单模光纤较好的传输特性，所以目前主要采 用的是由单模光纤制成的不同结构的光缆。 光接收机的主要作用是将光纤传送来的光信号转换成电信号。光接收机中的 重要部件是用作光电转换的光电检测器，目前主要采用的有光电二极管( p 玳) 和雪 崩光电二极管( h p d ) 。 为了保证通信的质量，在发射机和接收机之间的一定距离上还必须设有光中 1 电子科技大学硕士学位论文 继器。光纤通信中光中继器的形式主要有两种，一种是光电- 光转换形式的中继器， 另一种是在光信号上直接放大的光放大器。 光纤通信技术具有无比的优越性，主要有： 1 ) 传输频带宽，通信容量大 通信容量和载波频率成正比，光波的频率要比无线通信的频率高很多，因此， 其通信容量也要大很多。 光纤通信的工作频率为1 0 1 2 1 0 1 6 h z ，目前采用的单模光纤的频带宽度极宽， 因此，用单模光纤传输光信号可以获得极大通信容量。 2 ) 传输损耗小，中继距离长 光信号在传输中因为介质的对光的吸收和散射，使得信号强度变弱。不过在 现在的制作工艺下，传输损耗很小。目前，s i o ，光纤通信线路中，如果工作在 1 5 5u r n 波长时，传输的损耗值可低于0 2 d b k m ，系统的最大中继距离可以达到 2 0 0 k i n 。 3 ) 抗电磁干扰的能力强 光纤通信采用介质波导来传输信号，并且光信号又是在纤芯中传输的，而光 纤是以s i o ，这种不易受各种电磁干扰的材料制成的，所以光纤通信具有很强的抗 干扰能力，同时具有很好的保密性。 另外，光纤线径细、重量轻、寿命长，并且制作光纤的资源很丰富，适合大 量生产和应用。 1 2 电信道均衡技术的研究意义 损耗和色散是光纤最重要的传输特性，也是光纤通信系统的基本问题。损耗 限制光纤传输系统的传输距离，色散则限制系统的传输容量。 由于光纤放大器的实用化，光纤损耗已不再是光纤通信系统的主要限制因素。 最先进的光波系统，如d w d m 系统被光纤色散所限制，而不是损耗。在某种意义 上说，光放大器解决了损耗问题，但同时加重了色散问题。 2 第一章绪论 光信号在光纤中传输时，其波形发生了展宽，这种现象就是色散，或者是， 不同波长或频率的光具有不同的速度，从而在传输中引起了色散。色散一般意义 上包括三种色散，分别是波导色散、模式色散和材料色散。如果传输的光信号是 模拟调制的话，色散就限制了传输带宽；如果光信号是数字调制的话，色散就使 光脉冲发生了展宽。其中理想的单模光纤是没有模式色散的，只有波导色散和材 料色散。波导色散和材料色散又总称为色度色散( c d ，c h r o m a t i cd i s p e r s i o n ) ，简称 为色散。 由于色散的存在，光脉冲在光纤信道中传输时会发生展宽现象，这种脉冲的 展宽会造成相邻脉冲间的码间串扰( i s i ，i n t e r - s y m b o li n t e r f e r e n c e ) ，从而导致接收信 号眼图的关闭，减小了传输距离，增加了系统的误码率，从而降低光纤通信系统 的性能。 信道均衡技术是用来提高数字通信系统性能的一种常用技术，在通信理论中 已经得到了大量的研究。常用的信道均衡技术包括对抗信道码间串扰的前向均衡 ( f f e ，f e e , d - f o r w a r de q u a l i z a t i o n ) 、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 ) 和最大似然均衡( m l s e ，m a x i m u m l i k e , h o o ds e q u e n c ee q u a l i z a t i o n ) 等，并已经在 移动信道、a d s l 信道等环境中得到了广泛的应用。这些均衡技术可以在一定程度 上减少或消除码间串扰对信道性能造成的有害影响。 多模光纤上非常严重的模间色散，使得其上传输的光脉冲展宽要严重很多， 因此上面提到的这些信道均衡技术被首先应用到了多模光纤通信系统上，主要目 标是实现1 0 g b i t s 速率的多模光纤通信系统。 在单模光纤通信系统中，虽然同样存在色散效应，但是单模光纤的色散可以 使用色散补偿光纤( d c f ，d i s p e r s i o nc o m p e n s a t i o nf i b e r ) 进行补偿。由于色散补偿 光纤是在光域中实现对光纤信道色散效应的补偿，不需要光电转换，因此似乎更 适合单模光纤通信系统的高速率要求。然而，随着传输速率的进一步提高，偏振 模色散变得更加明显，而偏振模色散效应具有一定的统计特性，并且随时间和环 境等变化，很难用光学技术进行补偿，因此需要使用另外一种补偿技术。另方 面，随着动态光网络的出现，光脉冲信号经过的光路也会随路由选择的不同而发 生变化，同样需要一种动态的色散补偿技术，而这种动态的色散补偿技术也很难 用色散补偿光纤实现。再加上电信号处理技术及集成电路所固有的低成本优势， 3 电子科技大学硕士学位论文 人们逐渐意识到可以使用f f e 、d f e 和m l s e 这些信道均衡技术来实现色散的动 态补倒啦】。由于这些信道均衡技术在光纤通信系统中实现时需要光电转换，因此 通常称为电信道均衡技术，以区别于色散补偿光纤等光信道均衡技术 3 1 。 电信道均衡技术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。但是因为光信号传输的高速度，电信道均衡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电域均衡的光传输系统。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 信号的传输色散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。 到目前为止，已经有个别厂商推出了一些电信道均衡技术的高速集成电路及 包含电信道均衡技术的光接收模块，具体见下面的讨论，但是这些模块的实际应 用还未在各大光纤设备制造商中有见报道。不过可以看出的是，各大光纤设备制 造商对该技术还是很感兴趣的，并开展有大量的研究，见o f c 、e c o c 等光纤通 信的主要国际会议上的报道。 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 x 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 。 随着f f e 和d f e 均衡技术研究的深入和完善，人们也逐渐意识到这两种均衡 技术虽然能够在一定程度上改善光纤色散效应的影响，但是当累积色散进一步增 大时，f f e 和d f e 均衡器将最终失效。在传统的数字通信技术中，还有另外一种 技术也可以用于改善i s i 信道的传输性能，这就是基于比特序列的判决技术，例如 维特比判决算法v a ( v i t e r b ia l g o r i t h m ) 。在光纤信道中，这种技术常被称为 m a x i m u m l i k e l i h o o ds e q u e n c e e q u a l i z a t i o n ，其实就是传统通信技术中的 m l s d ( m a x i m u ml i k e l i h o o ds e q u e n c ed e t e c t i o n ) 吲。f f e 和d f e 虽然实现简单，但 是一般只能够均衡1 5 0k m 以下的普通单模光纤的累积色散效应。相比较而 言，m l s e 技术虽然实现比较复杂，但是均衡效果更好。如果不考虑m l s e 实现的 复杂度，m l s e 技术可以用于均衡任意大小的累积色散效应【2 】。 4 第一章绪论 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， 既包括理论和仿真的系统性能的研究，也包括实验验证【 j 。其中，理论研究的内 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【l 叭2 1 。 这些理论和仿真研究表明，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，但是代价却是实现起来要复杂很多。 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。2 0 0 4 年e c o c 会 议上，德国的c o r e o p t i c s 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【l o 】。使用速率为2 5 g s a m p l e 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f 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；在2 0 0 7 年e c o c 会议 上该公司宣布其1 0 g b i t s 最大似然序列估计m l s e 技术已经应用到城域d w d m 平台产品中，并且在2 0 0 8 年推出了第二代m l s e 技术：德国m a r c o n i 公司在2 0 0 5 年的o f c 上也报道了类似的m l s e 均衡器用于提高d u o b i n a r y 调制方式时的系统 性能。这是目前为止我们见到的不多的基于已实现了的集成电路器件的报道。此 外，还有一些国外高校的验证实验，通过采样示波器将电信号取出后，再用 m a t l a b 等进行m l s e 均衡和验证 1 3 - ”】。除了m l s e 实现时自身的复杂度很高以 外，m l s e 均衡器还必须要求对光电转换之后的电信号进行1 0 g b i t s 及以上的高速 a d 转换，这也是实现时的主要困难之一【1 6 】。从算法上降低m l s e 实现的复杂度， 成为m l s e 研究的热点。 1 3 课题来源和篇章结构 在本文中，主要分析和研究了数字光纤通信系统中m l s e 技术的性能，并对 m l s e 进行了算法上的优化和简化。课题来源于国家自然科学基金项目“光纤通 信中新型纠错技术和电信道均衡技术及其联合的理论研究”。 论文的主要安排如下： 第一章首先对光纤通信系统进行了简要的概述，介绍了其主要组成部分：光 发射机、通信信道和光接收机，然后介绍了电信道均衡技术在光纤通信系统中的 应用、发展前景以及遇到的问题。 5 电子科技大学硕士学位论文 第二章介绍了数字光纤通信系统的结构以及各器件对系统所起的作用和带来 的负面影响。然后介绍了m l s e 技术的基础v i t e r b i 译码算法，并讨论了在加性高 斯白噪声信道下，m l s e 的判决公式。 第三章分析了在热噪声影响下的数字光纤通信的系统模型，并研究m l s e 在 该模型下的性能。从提高系统性能的角度，对m l s e 算法进行了改进，提出了几 种优化方法，并通过仿真进行验证。 第四章分析了系统噪声主要为a s e 噪声的数字光纤通信的系统模型，讨论该 系统模型下的m l s e 的性能，分析热噪声与a s e 噪声对系统性能影响的差别，并 且利用第三章中提出的优化方法仿真验证了该系统模型下m l s e 的性能。然后从 简化算法的目的入手，提出了两种简化算法，并通过比较得到了较好的结果。 第五章为全文总结。 6 第二章光纤通信系统和m l s e 技术 第二章光纤通信系统和m l s e 技术 光纤通信既可以传输数字信号，也可以传输模拟信号，或者同时传输数字信 号和模拟信号。在公用通信网中，数字通信是最佳的传输方式，实现综合业务数 字网( i s d n ) ，并且光纤通信系统非常适合数字信号的传输，因此，大容量长距离 的光纤通信系统大多是采用数字传输方式的，所以光纤通信的研究和应用也主要 集中在数字通信系统。本章主要介绍了数字光纤通信系统的构成和接收端的 m l s e 技术。 2 1 数字光纤通信系统 本节主要介绍目前广泛采用的强度调制一直接检波( i n t e n s i t ym o d u l a t i o n - d i r e c t d e t e c t i o n , i m d d ) 的数字光纤通信系统，在本文的研究中，将这种系统作为仿真 计算的系统模型的原型。在i m d d 系统中，其发射端是用信号直接调制光载波的 强度，接收端是用检测器直接检测所接收的光信号。 2 1 1 光发射机 在i m d d 系统中，光发射机的作用是把电信号经过脉冲编码调制，得到p c m 信号，整形后变换成n r z r z 码，然后经过内调制，再由光源变为带有信息的光 信号。 内调制又称直接调制，是将信息转变为电流信号，然后直接作用在光源上， 对光源进行调制，获得光信号，适用于l d 和l e d ，内调制又可以分为模拟信号的 内调制和数字信号的内调制。通常是将所要传输的信息转换为电流信号，并将其 直接注入光源，使其输出的光载波信号的强度随着调制信号的变化而变化。在数 字信号的调制中，将经p c m 后的数字信号直接叠加在直流偏置电流之上，用光源 的输出光载波的有光( “1 ”码) 和无光( “0 ，码) 来表示信号。由此可见，这种内调制 方式的强度调制特性主要由半导体光源l d 、l e d 的尸一，曲线决定。如图2 1 所 示。 7 电子科技大学硕士学位论文 由于l e d 属于无阈值的器件，即它随着注入电流的增加，输出光功率近似的 呈线性增加，其尸一j 曲线的线性特性好于l d 的尸一，曲线特性，因而在调制时， 其信号失真小，动态范围大。不过l e d 属于自发辐射光，其谱线宽度要比l d 宽得 多，对信号的高速传输非常不利，因此在高速光通信系统中通常采用l d 作为通信 光源。 尸尸 - l e d 敷字谴铡鬣理 ( b l d 数字谭铡原理 2 1 2 光接收机 图2 1 半导体光源的直接调制原理 i m d d 数字光纤通信系统的光接收机如图2 - 2 所示，该方框图只示意地画出 了光接收机的主要部分。 广一一一一一一一一一一一一一一 il 图2 - 2 数字光纤通信接收机 1 ) 光电检测器 光电检测器的作用是将光信号转变为电信号，目前广泛使用的是半导体光电 8 第二章光纤通信系统和m l s e 技术 二极管，主要包括p i n 光电二极管和a p d 。 2 ) 前置放大器 这个放大器与光电检测器紧紧相连，与光电检测器一起被称作接收机前端。 电光转换后得到的光电流信号非常小，需要将其多级放大，前置放大器就是将信 号放大到合适的程度。在放大过程中，放大器本身的电阻会引入热噪声，并且放 大器的晶体管会引入散粒噪声，这都会干扰信号的检测，影响系统的性能。 3 ) 主放大器 主放大器是将接收机前端输出的信号放大，得到判决电路所需要的信号电平， 同时它还是一个增益可调节的放大器，当光电检测输出的信号出现起伏时，通过 自动增益控制电路对它的增益进行调整。 4 ) 均衡器 在i m d d 系统中，传输的信号是脉冲信号，带宽在理论上是无限大。不过这 种脉冲经过光纤传输后，又经过光电检测器、放大器等器件，这些器件的带宽并 不是无限的，所以从接收机主放大器输出后的信号不再是矩形信号，而是有拖尾 现象，产生i s i 。均衡器的作用是将信号均衡成升余弦波，使波形便于判决，最大 限度的减少i s i 。 劢判决器和时钟恢复电路 判决器由判决电路和码形成电路构成。判决器和时钟恢复电路合起来就构成 了脉冲再生电路，作用是将均衡器输出的信号恢复成理想的数字信号。 2 2m l s e 均衡技术 均衡器在接收端恢复出发送端数字信号的过程中起到了关键性的作用， m l s e 均衡技术就是本文研究的重点。本节详细介绍了m l s e 均衡技术的原理和 判决公式的推导。 2 2 1v i t e r b i 译码算法 由1 2 节的介绍可知，色散是光纤的重要传输特性，其引起的脉冲展宽而造成 9 电子科技大学硕士学位论文 码间串扰是增加系统误码率、降低通信系统性能的主要因素。码间串扰如图2 3 所示。发送的比特序列为 1 0 0 0 1 ) ，通过光纤传输后，因为色散的码间串扰造成的 影响，在接收端直接判决的结果就有可能就是 11 0 11 ) 。 4 t 图2 3 码间串扰不惹图 在对存在码间干扰和加性高斯白噪声的信道进行均衡和信号解调时，基于 v i t e r b i 算法的m l s e 接收器是最优的，它被认为具有最佳的性能 2 】。v i t e r b i 算法 由维特比在1 9 6 7 年提出。v i t e r b i 算法的实质是最大似然译码算法，但是它利用了 网格图的特殊结构，从而大大降低了计算的复杂性【1 7 , 1 8 】。该算法需要计算网格图 上在某一时刻到达各个状态的路径和接收序列之间的相似度，或者说是距离，计 算接收序列和可能的发送序列的距离，选择一个与接受序列最接近的序列作为输 出，从网格图找出最可能的序列。v i t e r b i 算法的核心是，抛弃不可能成为最大似 然选择对象的网格图上的路径，也就是对于到达同一个状态的两条路径，具有较 大度量的路径将被选择，这条路径被称为幸存路径，而另外的一条路径被抛弃。 对网格图的每一级都将重复这样的操作，在网格图上不断的深入，通过去除可能 性较小的路径，最终实现了序列的判决。一旦接收到信道输出，它就通过网格图 搜索以找到最有可能产生这个接收序列的路径。硬判决译码时，这个算法就找到 与接收序列是在最小h a m m i n g 距离上的那条路径；软判决译码时，v i t e r b i 算法就 找到与接收序列是最小欧氏距离的那条路径。因为在网格图搜索过程中抛弃了不 可能的路径，所以大大降低了译码的复杂度【1 9 】。v i t e r b i 算法的状态转移图如图2 _ 4 所示。 1 0 第二章光纤通信系统和m l s e 技术 状态 庐= o o 扣l o f - - 0 j 咖l l 0 io l 图2 _ 4v i t e r b i 算法的网格图 0 1 m l s e 均衡器的结构跟v i t v r b i 译码器类似，下面将介绍v i t v r b i 译码器的基本 结构。传统的v i t e v b i 译码器分为3 个基本单元：b m u ( b r a n c hb r a n c hm e t r i cu n i t ， 分支度量单元) 、a c s u ( a d d c o m p a r e s d e c tu n i t ，加一比一选单元) 、 s m u ( s u r v i v o rm e m o r yu n i t ，幸存路径存储单元) 。如图2 5 所示。 其中b m u 根据接收的软判决信息计算出每一个时刻各分支度量值，将该结果 送入a c s u ；对应于每个状态，a c s u 将所有能够进入到该状态的分支度量与其 相连的状态前一时刻的幸存路径的度量值相加，然后比较并选择较大的度量得到 一步更新后的进入该状态的幸存路径，把这个信息送入幸存路径的度量值寄存器 和路径寄存器；当路径寄存器中存储的路径长度达到一定值时，采用某种判决规 则判决译码输出。 2 2 2m l s e 判决公式 图2 5v i t e r b i 译码器结构 本节的部分给出了m l s e 技术的判决公式，作为后面章节仿真计算的基础。 假设发送端的发送序列为 五，恐，毛) ，m l s e 均衡器接收到的序列为 电子科技大学硕士学位论文 协，以) ，m l s e 均衡器就是从接收序列得到的信息恢复出最有可能的序列 毫，岛，毫) 。由t e 而i 算法，判决公式可以写为下式捌： 暑，岛，毫= 而m 而a x 而p ( y l ，y 2 ，以1 而，恐，吒) ( 2 - 1 ) 如果假设乃，y z9o 9 蚝都是相互独立的，式( 2 1 ) 中的p ( 乃，y 2 ，咒l 五，恐，毛) 可 以写成： p ( y l ，y 2 ，以ix , ，恐，吒) = 兀p ( y kj c l ，屯，) ( 2 2 ) k = l 如果通信系统i s i 影响的比特长度是厶即对于比特吆，它受到 吒以，政小矗书，五“等比特的i s i 影响，即前后各三个比特的影响，则又可以简 化为下式 2 l 】： p ( 儿l 五，x 2 ，吒) = p ( y kl 矗一工，墨- l ，气，黾+ l ，效也) ( 2 - 3 ) 式( 2 3 ) 中的五也，吒书，五q ，以“就对应了网格图中的状态，总的状态数就 是2 2 “1 个。判决公式( 2 1 ) 就变为： 协m a x h 罂地l b ，粕而，) 如果噪声是高斯白噪声，判决公式可以进一步写成： m a x i n f ( y iix , 也，故- 1 ，黾，黾+ 1 ，札) k = l = 黑喜m 志唧c 鼍笋， = 黑喜( h 州掣州志) ) = 黑喜( 掣札c 去) ) ( 2 4 ) ( 2 - 5 ) 式中，1 , 为的均值，在本文中称作状态均值，因为色散引起的脉冲展宽， 受到i s i 的影响，所以从实际上是由一l ，赡1 ，吒，矗，吒+ 工决定的；矿就是噪声 的方差。对于分支度量的计算就可以选取一( 儿一段) 2 作为比较。在实际的计算中， 因为需要计算敝的值，所以在图2 - 5 中还要添加一个状态均值寄存器，连至0b m u 上。因为在仿真中得不到通信系统i s i 影响的比特长度厶所以在本文中就假设i s i 1 2 第二章光纤通信系统和m l s e 技术 影响的比特长度为k ，并将此时的m l s e 仿真定义为m l s e k ，状态数就是2 2 柏。 例如在第三章和第四章中，假设i s i 影响比特的长度为1 ，则m l s e 就记为 m l s e 一1 ，状态数为2 m + 1 = 8 。 2 3 本