100Gbps+DPQPSK光纤通信系统技术研究硕士论文

劣妻京交 硕士学位论文 堙 铬 一 l O O G b p sD P Q P S K 光纤通信系统技术研究 T h es t u d yo ft e c h n o l o g yo flO O G b p sD P - - Q P S K 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 作者：康健 导师：李唐军 北京交通大学 2 0 1 4 年3 月 学位论文版权使用授权书 Y l l l l l l 2 l l l l1 6 l I M O I I1 2 I I l l 7 I l l l 2 ( I I I l l F I I I 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通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， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 陲侮 签字日期：? oI 午年3 月2 0 日 导师签名： 签字日期：乃，够年岁月历日 中图分类号：T N 9 1 3 7 U D C ：6 2 1 3 9 学校代码：1 0 0 0 4 密级：公开 北京交通大学 硕士学位论文 lO O G b p sD P Q P S K 光纤通信系统技术研究 T h es t u d yo f t e c h n o l o g yo f10 0 G b p sD P Q P S Ko p t i c a l c o m m u n i c a t i o ns y s t e m 作者姓名：康健 导师姓名：李唐军 学位类别：工学 学号：1 11 2 0 1 0 2 职称：教授 学位级别：硕士 学科专业：通信与信息系统研究方向：光通信 北京交通大学 2 0 1 4 年3 月 致谢 本论文的工作是在我的导师李唐军教授的悉心指导下完成的，李唐军教授严 谨的治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。在此衷心感谢三年来 李唐军老师对我的关心和指导。 李唐军教授悉心指导我完成了实验室的科研工作，在学习上和生活上都给予 了我很大的关心和帮助，在此向李唐军老师表示衷心的谢意。 李唐军教授对于我的科研工作和论文都提出了许多的宝贵意见，在此表示衷 心的感谢。 在实验室工作及撰写论文期间，贾楠博士、钟康平博士、孙健博士、孙磊、 高赫等同学对我论文中的1 0 0 G b p s 高速光传输系统研究工作给予了热情帮助，在 此向他们表达我的感激之情。 另外也感谢我的家人，他们的理解和支持使我能够在学校专心完成我的学业。 北京交通大学硕士学位论文 中文摘要 中文摘要 摘要：随着以移动视频为代表的宽带业务的飞速发展；以大数据处理、物联网和 云计算为代表的新技术概念的迅猛兴起，使得通信网的传输带宽日益紧张。当前， 已经部署的1 0 、4 0 G b p s 传输网络已经不能满足来自不同领域新型技术与应用的 带宽要求，各大运营商都将目光聚集在1 0 0 G b p s 超高速网络建设上，所以本文的 研究内容具有重大意义。 通信工程专业教学改革与研究是北京交通大学承担的国家级教改项目。 该项目瞄准建设“一流研究型 大学的发展目标，优化通信专业结构，提升水平， 创新人才培养模式，为培养出国家所需的优秀通信人才而努力。为了满足国家级 通信工程特色专业实验教学平台的建设要求，针对“2 0 1 3 年是中国1 0 0 G b p s 高速 光传输系统商用元年”这一状况，我校去年开始进行光通信与光器件实验平台建 设，基于该实验平台可以进行与高速光传输系统相关的研究和实验。本文围绕我 校通信工程国家级教改项目中的“光通信与光器件实验平台建设”进行工作，主 要的创新点和研究工作包括： 1 在本文中对1 0 0 G b p s 光通信系统的传输过程进行了详细的理论分析，然后 用O p t i S y s t e m 和M a t l a b 软件建模了1 2 0 G b p sD P Q P S K 相干光传输系统，给出了 建模仿真结果图。在此基础上，提出了我专业实验室搭建该系统的解决方案，该 方案完全符合实验室设备采购原则：通过利用实验室现有仪器，在满足系统性能 条件下搭建该系统，并尽可能节约采购成本。 2 针对现代通信系统中全数字化、全智能化这一趋势特点，本文提出了一种 基于改进粒子群算法的载波相位估计K - P S O 算法，并用M a t l a b 软件对它进行仿 真，从不同角度进行了详细分析。K P S O 算法具有智能化高、控制参数少、扩展 性强等优点。在展望中，又提出一种K - P S O 与基于网格密度的聚类相结合的载波 相位估计算法。在我校光通信与光器件实验平台搭建完成后，可以进行背靠背实 验验证，本文对新算法的提出也是对该实验平台未来应用效果的预期。 关键词：1 0 0 G b p s D P Q P S K 相干光传输光通信与光器件实验平台相位估计算法 粒子群算法网络和密度的聚类 分类号：T N 9 1 3 7 A B S T R A C T ：W i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to f t h eb r o a d b a n ds e r v i c e s , s u c ha Sm o b l l e 们d e o ：w i t ht h er a p i dr i s i n go ft h en e wt e c h n o l o g y , s u c ha sB i g D a t aP r o c e s s i n g ，T h e 【1 1 t e m e to fT h i n g s ，C l o u dC o m p u t i n ga n dS Oo n A l lo f t h i sm a k e st h eb a n d w i d t ho f c ) n n u n i c a t i o nn e t w o f kb e c o m em o r ea n dm o r e n e r v o u s N o w a d a y s ，10 G b p s ，4 0 G b p s n e 晰o r kh a sb e e nu n a b l et om e e tt h eb a n d w i d t hr e q u i r e m e n t so f t h en e wt e c h n o l o g i e s 砌1 da p p l i c a t i o U Sf r o md i f f e r e n tf i e l d s A l lo p e r a t o r sw i l lf o c u so nt h ec o n s 咖c t l o no t 10 0 G b p sh i g hs p e e dc o m m u n i c a t i o nn e t w o r k S ot h ec o n t e n to f t h i sp a p e r1 so fg r e a t s i 咖6 c a l l c e - T e a c h i n gr e f o r ma n dr e s e a r c ho nm a j o ro fc o m m u n i c a t i o ne n g i n e e r i n g 1 s 仇e n a t i o n a le d u c a t i o nr e f 0 mp r o j e c tu n d e r t a k e nb yB e i j i n gJ i a o t o n gU n i v e r s i t y T h e d e v e l o p m 饥tg o a l so ft h ep r o j e c ta i m e da tb u i l d i n ga f i r s t c l a s sr e s e a r c h u n i V 盯s 峨 o p t i m i z i n gs t m c t u r eo f c o m m u n i c a t i o nm a j o r , i n n o v a t i n gt h em o d e o ft M e n tc u l t i v a t i o n ， c u l t i V 缸1 9e X c e l l e n t c o m m u n i c a t i o nt a l e n t s f o rn a t i o n I no r d e rt om e e tt h e r e q u i r e m e n t so ft h ec o n s t r u c t i o no f t h en a t i o n a lc o m m u n i c a t i o ne n 9 1 n e e n n gs p 锨a l t y e x p e r i m e n tt e a c h i n gp l a t f o r m ，a c c o r d i n gt ot h es i t u a t i o no f 2 0 1 3i st h ec o m m e r c l a l v e a ro fC h i n e s elO O G b p sh i g h - s p e e do p t i c a l t r a n s m i s s i o ns y s t e m ，o u ru n i v e r s l t y s t a n e dm ec o n s t m c t i o no f e x p e r i m e n t a lp l a t f o r mo fo p t i c a lc o n u n u n i c a t i o n a n do P t l c a l d e v i c e s l a s ty e 札 B a s e do nt h i se x p e r i m e n t a lp l a t f o r m w ec a nr e s e 砌 a n d e X p e l m e n t sr e l a t e dt oh i g h - s p e e do p t i c a lt r a n s m i s s i o ns y s t e m T h i sp a p e r i s 咖u n d 廿1 e w o r ko fc o n s t m c t i o no f e x p e r i n a e n t a lp l a t f o r mo fo p t i c a lc o m m u n i c a t i o na n do P t l c a J d e v i c e s T h em a i nr e s e a r c hw o r ka n di n n o v a t i o ni n c l u d e ： 1 I n “sp a p e rg a v ead e t a i l e da n a l y s i so ft h et r a n s m i s s i o np r o c e s so f1 0 0 G b p s 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 n dt h e nm o d e l e d 12 0 G b p sD P - Q P S Kc o h e r e n to p t l c a l t r a n s m i s s i o ns v s t 锄u s eO p t i S y s t e ma n dM a t l a bs o f t w a r e A tl a s tg a v et h er e s u l t so f s i m u l a t i o n O nt h i sb a s i s ，p r o p o s e dt h es o l u t i o no fc o n s t r u c t i n gt h i s s y s t e mf o ro u r l a b o r a t o r y T h es o l u t i o n sf u l l yc o m p l yw i t ht h ee q u i p m e n tp r o c u r e m e n tp r i n c i p l e s o f l a b o r a t o r v ：T h ep r e m i s ei st om e e tp e r f o r m a n c e ，b u i l dt h es y s t e ma sm u c h a sp o s s i b l e t ou s ee x i s t i n gl a b o r a t o r ye q u i p m e n t ，a n da sm u c ha sp o s s i b l et o s a v et h ep u r c h a s i n g c o s t 2 A c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i co ft r e n do fd i g i t a l ，i n t e l l i g e n t i nt h er o o d L e r n i u B e i j i n gJ i a o t o n gU n i v e r s i t yM a s t e rT h e s i s A B S T R A C T c o m m u n i c a t i o ns y s t e m ，t h i sp a p e rp r o p o s e dac a r r i e rp h a s ee s t i m a t i o na l g o r i t h mb a s e d o ni m p r o v e dp a r t i c l es w a r mo p t i m i z a t i o n ( K - P S O ) ，a n du s e dM a t l a bs o f t w a r et o s i m u l a t e g a v ed e t a i l e da n a l y s i sf r o md i f f e r e n ta s p e c t s T h ea d v a n t a g eo ft h eK - P S O a l g o r i t h mi si n t e l l i g e n ta n ds c a l a b i l i t y A n dt h eK - P S Oa l g o r i t h mh a sl e s sc o n t r o l p a r a m e t e r s I nt h ep a r to ff u t u r ep r o s p e c t so ft h i sp a p e r , p r o p o s e dac a r t i e rp h a s e e s t i m a t i o na l g o r i t h mc o m b i n e do fK - P S Oa n dG r i da n dD e n s i t y - b a s e dC l u s t e r i n g A f t e rf i n i s ht ob u i l do u ru n i v e r s i t y e x p e r i m e n t a lp l a t f o r mo fo p t i c a lc o m m u n i c a t i o n a n do p t i c a ld e v i c e s ，w ec a np e r f o r mb a c k - t o - b a c ke x p e r i m e n t I nt h i sp a p e r , t h e p r o p o s i n go fn e wa l g o r i t h mi st h ea n t i c i p a t e de f f e c to fu s i n gt h et e a c h i n gb a s e K E Y W O R D S ：10 0 G b p sD P - Q P S K , C o h e r e n t o p t i c a lt r a n s m i s s i o n ，o p t i c a l c o m m u n i c a t i o na n do p t i c a ld e v i c e s ，P h a s ee s t i m a t i o na l g o r i t h m ，P h a s ee s t i m a t i o n a l g o r i t h m ，G r i da n dD e n s i t y - b a s e dC l u s t e r i n gA l g o r i t h m C I A S S N O ：T N 9 13 7 V 北京交通大学硕士学位论文 目录 目录 中文摘要i i i A B S T R A C T i v 1 绪论1 1 1 光通信系统发展及现状1 1 1 1 光通信系统发展简介1 1 1 2 超高速光传输系统介绍3 1 21 0 0 G b p s 关键技术5 1 2 1D P Q P S K 系统简介5 1 2 21 0 0 G b p s 系统性能分析6 1 3 论文的主要研究内容和结构安排7 21 0 0 G b p s D P - Q P S K 相干光传输系统9 2 1 主要技术原理介绍9 2 1 1Q P S K 码型调制与解调9 2 1 2 偏振复用原理lO 2 1 3 相干检测1 1 2 1 4D S P 处理单元1 3 2 21 0 0 G b p s D P Q P S K 系统建模1 4 2 2 1 发射端1 5 2 2 2 传输链路19 2 2 3 接收端2 3 2 3 建模仿真一2 6 2 4 本章小结2 8 31 0 0 G b p s 光传输系统设备采购2 9 3 1 通信工程特色专业实验教学基地介绍2 9 3 1 1 建设光通信与光器件实验平台的重要性2 9 3 1 2 建设光通信与光器件实验平台设备采购原则3 0 3 210 0 G p s 超高速光传输系统建设解决方案3 0 3 2 1 发射端3 1 3 2 2 传输链路3 2 3 2 3 接收端3 3 3 3 设备介绍一3 4 3 3 1D Q P S K 光调制器3 4 北京交通大学硕士学位论文目录 3 3 21 ：4 功分器3 5 3 3 34 ：1 复用器_ 3 6 3 3 41 ：4 解复用器。3 7 3 4 总结3 8 4 载波恢复3 9 4 1 载波频偏估计算法一4 0 4 1 1M 次方频偏估计算法4 0 4 1 2 其他频偏估计算法4 1 4 1 3 频偏补偿结构4 2 4 2 载波相位估计算法4 2 4 2 1V i t e r b i V i t e r b i 相位估计算法4 3 4 2 2Q P S K 划分算法4 4 4 2 3 相位盲扫法4 6 4 3 总结一4 7 5 基于粒子群算法的载波相位估计4 9 5 1 粒子群算法介绍o 4 9 5 2 基于改进的粒子群算法的载波相位估计5 1 5 3 仿真分析5 3 5 4 总结5 5 6 结论和展望5 7 6 1 本文工作总结5 7 6 2 后续研究及展望5 8 参考文献6 0 作者简历6 2 独创性声明6 3 学位论文数据集6 4 北京交通大学硕士学位论文绪论 1 绪论 在当今社会中，例如微信、手机视频等，这些以移动视频、语音为代表的宽 带业务已经得到了迅猛发展，而又像I P R A N 、物联网和云计算等技术的兴起，都 给目前日益严峻的带宽带来了挑战【l 】【2 1 。当前，已部署的1 0 G b p s 、4 0 G b p s 传输网 络不能满足来自不同领域新型技术与应用的带宽要求，自然的1 0 0 G b p s 网络进入 了各大运营商和实验室的视野，实现单波长信道1 0 0 G p b s 信号传输，为超大容量 的D W D M ( 密集波分复用) 光传输网提供技术基础，对信息网的建设具有重大 意义。 1 1 光通信系统发展及现状 上世纪六十年代光纤之父高锟预言光纤可作为载波用于通信以来，已经 过去了半个世纪，光纤传输的发展，从科研到商用历经了5 0 多年，并取得了重大 的突破和成就。本节从光纤通信的发展历史说起，引出超高速光传输系统【3 1 。 1 1 1 光通信系统发展简介 跳过最初的科研阶段，第一代光通信系统商用化是在上世纪8 0 年代初期，铺 设的光纤为多模光纤，工作于8 0 0 n m ，即第一窗口( 该窗口损耗和色散都较高) ， 传输速率可达4 5 M b p s ；第二代光通信系统出现在8 0 年代中后期，铺设的光纤包 括多模光纤和单模光纤，工作波长移动到1 3 1 0 n m ，即第二窗口( 该窗口有最低 的色度色散，几乎为零) ，传输速率可达1 7 G b p s ，无中继传输距离为5 0 k m 左右； 第三代光通信系统于上世纪9 0 年代实现商用化，铺设的光纤为单模光纤，工作波 长再次增加，移动到了1 5 5 0 n m ，即第三窗口( 该窗口虽然色度色散不为零，但 却有最小的损耗) ，传输速率提高到了2 5 G b p s ，无中继传输距离也进一步提高到 了7 0 k m 左右。色散位移光纤( D S F ，将零色散点从1 3 1 0 n m 移动到1 5 5 0 n m ) ，是 第三代光纤通信系统中一项重要技术成就，有效的解决了15 5 0 n m 光通信系统中 的色度色散问题5 1 。 随着光器件工艺的不断进步，尤其是光源从发光二极管到半导体激光器的发 展，使得光纤通信系统的容量大大增加。光放大器的迅猛发展是光纤通信的另一 个革命，它节省了光通信传输中的中继过程( 光电转换、电放大、电光转换过程) ， 北京交通大学硕士学位论文绪论 而且实现了速率、波长和调制方式都透明的光信号放大机制，从而诞生了采用 W D M ( 波分复用) 技术的新一代光纤系统。 波分复用技术的发展迫使科学家、工程师不得不面对光纤的非线性效应。于 是提出了非零色散位移光纤，主要包括：大有效面积光纤、低色散斜率光纤和反 常色散光纤。图1 1 可以大体表示光纤技术的发展历程。 7 一一、 图1 1 光纤技术的发展过程一 F i g 1 1D e v e l o p m e n to fo p t i c a lf i b e rt e c h n o l o g y 到了二十一世纪，作为光器件发展和光系统飞速演进的结果，光通信系统的 传输容量从M b p s 级发展到T b p s 级，提高了近1 0 万倍，如图1 2 所示。图1 2 很 清晰的显示了，在将波分复用技术应用到光通信系统后，改变了其容量的增长方 式，突破了所谓的电子瓶颈。 横坐标：年 纵坐标：b i t s 0 0 + 图1 2 光通信系统发展 F i g 1 2D e v e l o p m e n to fo p t i c a lc o m m u n i c a t i o ns y s t e m 2 北京交通大学硕士学位论文绪论 从二十一世纪到现在短短十几年的发展，光通信网络即将迈入单信道1 0 0 G 商用化阶段，2 0 1 3 年即将成为中国光通信1 0 0 G 商用元年，在今年中国电信和中 国移动都对1 0 0 G 光通信做了批量部署。中国电信F T T H 已覆盖9 0 0 0 万户家庭， 国内占比达7 0 。从国际来看，市场研究公司R V A L L C ，2 0 1 3 年l O 月在北美F 唧 大会上公布，北美F T T H 用户数突破1 0 0 0 万，在9 月份美国F T T H 网络的平均开 通率达到了4 5 8 ，而且这个指标也在一直增长【6 】【I ”。以上所有数据迹象都表明， 提升D W D M 的传输容量是不可避免的，亦是未来发展的趋势，对国家通信基础 设施建设具有重大意义。 1 1 2 超高速光传输系统介绍 在1 1 1 节中概述了光纤通信的发展，以及高速光传输系统的现网部署情况， 不难看出，提高传输容量是当务之急。 W D M 的传输速率= 波长通道数波长通道传输比特率 ( 1 1 ) 根据式( 1 一1 ) 所示，要想提高W D M 的传输容量，有两个途径。第一是增加通 道的复用数量，第二是增大单波长通道传输比特率，即单信道容量，或者两种途 径并举。但是，这两种途径的施行，将遭遇一些富有挑战性的难题【8 】。 传输距离与传输容量是两个相互制约的概念，一方面当通信系统的通道数增 加时将导致单个信道功率的下降，进一步导致通信系统的信噪比下降，这就需要 另外引入长距离传输技术来提高系统性能。而另一方面当通信系统的通道数不变， 为实现传输容量的增加，需要提高单信道的容量，从而引起单信道功率的增加， 这会导致非线性效应的增加，同样的，这就需要另外引入非线性抑制技术。 其中，增加W D M 系统的复用通道数也有两种方法，第一是增大使用的波长 范围，目前光传输系统多在C 波段，若要继续增大波长范围，就需要将传输信号 复用到L 波段，如图1 3 所示。第二是减小各个光单信道间的频率间隔，目前商 用系统最新标准中的频率间隔是5 0 G H z ，若要减d , N2 5 G H z 、1 2 5 G H z ，就需要 传输信号通过带宽更窄的光复用器和解复用器，从而加大了相邻信道间的干扰， 对系统性能有很大影响。而且以上两种方法都对商用化有很大的挑战，不仅大大 增加了网络升级的复杂度，还加大了网络的维护成本。所以通过增加系统的通道 数来加大传输容量的途径被各大实验室和运营商所摒弃，而把目光都聚焦在了增 加单信道速率这一途径上来。 北京交通大学硕士学位论文 绪论 8 5 01 2 6 0 1 3 6 01 3 6 5 1 5 2 51 5 3 0 1 5 6 21 5 7 0 1 6 0 4 ( n m ) 图1 3 光纤通信窗口 F i g 1 3W i n d o wo fo p t i c a lf i b e rc o m m u n i c a t i o n 中国三大运营商中，中国电信和中国联通在省际、省内干线和一些城域网都 大规模部署了4 0 G b p s W D M 系统，并已经稳定运行多年。而中国移动经过去年的 1 0 0 G b p s 测试验证和现网试点，选择跨过4 0 G b p s ，直接部署1 0 0 C b p s 的策略。虽 然2 0 1 3 年是中国1 0 0 G b p s 元年，1 0 0 G b p s 系统开始大规模商用和部署，但是 1 0 0 G b p s 仍面临着许多后续问题。 与1 0 G b p s 、4 0 G b p s 低速光传输系统相比，随着速率的提高，系统对C D ( 色 度色散) ，P M D ( 偏振模色散) 、O S N R ( 光信噪比) 和非线性的容忍度急剧下降。 1 0 G b p s 信号采用N R Z ( 不归零编码) 调制，若1 0 0 G b p s 信号仍采用该种调制方 式，那么它的O S N R 就要比1 0 G b p s 系统增加1 0 d B ，这就需要更高的抑噪技术， 例如：更精准的F E C 技术( 前向纠错技术) 或干扰系数更低的放大技术等，目前 高速率的光传输系统主流的调制方式是D P Q P S K ( D u a l P o l a r i z a t i o n Q u a d r a t u r e P h a s eS h i f tK e y i n g 偏振复用正交相移键控) 调制方式。在C D 方面，1 0 0 G b p s 信 号的色散容限相比于1 0 G b p s 信号降低了1 0 0 倍，所以更加精密的色散补偿技术 是必不可少的。P M D 同C D 一样，更高的速率迫使P M D 造成的信号脉冲展宽现 象更加明显，1 0 0 G p b s 信号频谱展宽比1 0 G p b s 信号大了1 0 倍，如何使其满足当 前主流的5 0 G H z 间隔波长的波分复用也是一大难题。通过近几年的不断研究，尤 其是高速A D C ( 数模转换) 和D S P ( 数字信号处理) 技术的突破性进步，使得相 干光检测技术得到了广泛关注和应用。一方面，通过相干检测技术提高了系统的 O S N R 灵敏度，而且完整的保留了光载波所携带的信息( 振幅、相位、频率、偏 振态等) ，最重要的是相干检测技术支持多进制调制技术，不仅提高了频谱利用率， 还降低了系统传输的符号速率。另一方面，D S P 算法将光域的复杂性问题转移到 电域解决，包括补偿光信号在传输中的C D 、P M D 、载波频偏、相偏等问题，这 样就降低了系统对光链路、光器件的依赖度，有利于系统升级和系统优化。目前 4 北京交通大学硕士学位论文 绪论 大规模铺设的1 0 0 G b p s 系统，都采用相干检测和D S P 处理技术，基本可以完成传 输任务，但后续技术的完善和研究仍是必不可少t g j 。 1 21 0 0 G b p s 关键技术 1 0 0 G b p s 技术的发展和网络的铺设，借鉴了4 0 G b p s 升级时的经验，避免了各 种技术溢出、标准百花齐放的局面。采用正交相移键控( Q P S K ) 调制、偏振复 用、D S P 相干接收的系统流程是业界公认的统一方案【l o J 。 1 2 1D P Q P S K 系统简介 如图1 4 所示，D P Q P S K 发射机结构简单，待发数据被分成四路，分别进入 两个Q P S K 调制器，得到的两个Q P S K 信号通过偏振合波器进行极化偏振合成， 得到D P Q P S K 信号。该发射端没有其他高复杂度模块( 例如D S P 和D A C 等模 块) ，所以基于D P Q P S K 发生机的硬件复杂度较低，易于实现。 接收_ 发送 图1 4D P Q P S K 发射端示意图 F i g 1 4S c h e m a t i cd i a g r a mo ft h et r a n s m i t t e ro fD P - Q P S K 图1 5D P Q P S K 接收端示意图 F i g 1 5S c h e m a t i cd i a g r a mo ft h er e c e i v e ro fD P Q P S K 5 北京交通大学硕士学位论文 绪论 如图1 5 所示，在D P Q P S K 系统接收端，采用相干检测和D S P 技术。接收 到的信号是D P - Q P S K 信号，经过偏振分束器后得到两路Q P S K 信号，分别与本 振激光进行9 0 0 混频，完成光电转换，最后在电域进行A D C 采样和D S P 处理。 1 2 21 0 0 G b p s 系统性能分析 1 0 0 G b p s 的关键技术包括D P Q P S K 调制技术、相干检测技术和D S P 处理技 术等，而系统性能的优劣主要体现在C D 、P M D 容限、O N S R 和非线性效应上面 【1 1 】 一2 5 G b p 一2 5 G b p 一2 5 G b p 一2 5 G b p 5 0 G b p s 5 0 G b p s 图1 6D P Q P S K 波特率说明 F i g 1 6I l l u s t r a t i o no fB a u dr a t eo fD P Q P S K C D 、P M D 容限解决途径主要有两种，一是在电域进行处理，进行色散的均 衡等工作，而D S P 处理技术可以很好的解决这问题。二是采用多级调制，来间 接提高色散容限，如图1 6 所示，可以看出10 0 G b p s D P Q P S K 信号码率为4 b i t 符 号，大大降低了系统传输的符号速率。除此之外，系统在接收端采用相干检测技 术，可使差分群时延最大值达到7 5 p s 左右，比采用直接检测多出6 5 p s 。 表1 11 0 0 G b p s 调制码型O S N R 比较 T a b l e1 1O S N Rc o m p a r i s o nb e t w e e n10 0 G b p sm o d u l a t i o nf o r m a t s 带宽 O S N R G 也d B O O K 1 0 7 0 1 6 3 D Q P S K 5 3 51 4 3 l P B P S K1 0 7 01 1 8 1 P Q P S K 5 3 51 1 8 1 P 1 6 Q A M 2 6 ，81 5 ，4 l P 8 P S K3 5 71 4 9 2 P B P S K5 3 51 1 8 2 P Q P S K 2 6 81 1 8 2 P 1 6 Q A M 1 3 41 5 4 北京交通大学硕士学位论文 绪论 I 鲨婴坚I! ! ：! 兰：! O S N R 容限是1 0 0 G p b s 系统性能指标的一个重要参数。在相同调制格式下， 1 0 0 G b p s 系统的O S N R 容限比4 0 G b p s 系统要求更高，这对于系统的科研和现网 铺设都有很大的挑战。如表1 1 所示( 注1 P 表示单个偏振态，2 P 表示偏振复用) ， 采用不同调制格式，1 0 0 G b p s 的O S N R 容限的差异很大，不过需要一提的是，相 干接收可以显著提高O S N R 容限( 1 - 2 d B 以上) 。另外，由于不同情况采用不同的 参考定义和参数，表中具体的容限值仅具有参考意义。 10 0 G b p s 系统由于采用D P Q P S K 调制方式，所以其非线性效应不仅包括S P M ( 自相位调制) 和X P M ( 交叉相位调制) ，还包括偏振态变化所引起的非线性效 应，例如光纤双折射变化等。所以1 0 0 G b p s 的非线性容限相对于4 0 G b p s 要高一 些。 从上述可见，1 0 0 G b p s 系统对C D 、P M D 容限，O S N R 容限，非线性容限都 有了新的要求，如何满足新系统的需求，是目前各大运营商大规模铺设1 0 0 G b p s 系统面对的最大挑战和阻碍。虽然国内目前1 0 0 G b p s 设备基本成熟，但是关键的 芯片技术主要依赖进口( 如调制器、A D C 、D S P 处理芯片等) 。根据2 0 1 3 年O F C ( O p t i c a lF i b r eC o m m u n i c a t i o n 美国光纤通讯展览会及研讨会) 提供的数据来看， 1 0 0 G b p s 相关芯片和器件的生产已被越来越多的厂商重视，这为1 0 0 G b p s 技术水 平的整体提高奠定了基础。但是受到目前技术现状的影响，1 0 0 G b p s 设备的整体 集成度较低，功耗较高。所以，更先进的、更具有技术含量的新一代1 0 0 G b p s 系 统设备芯片有待继续研发。 1 3 论文的主要研究内容和结构安排 根据目前社会市场上1 0 0 G b p s 高速光传输系统的发展现状，针对国家级通 信工程特色专业实验教学平台的建设要求，本文对1 0 0 G b p s D P Q P S K 相干光传 输系统进行了研究、建模和仿真，提出了实验室搭建该系统的解决方案，并介 绍了主要的采购仪器，在第四章介绍了载波恢复的相关算法，在第五章提出了 一种符合当前通信网发展方向的新算法。 第一章绪论，从光通信系统的发展历史和目前通信市场上超高速传输系统 的发展现状为角度进行了简单介绍，并从1 0 0 G b p s 光传输系统的关键技术和采 用不同调制方式的系统性能两方面进行了简单的分析，最后提出了论文的主要 研究内容和结构安排。 第二章1 0 0 G b p s D P Q P S K 相干光传输系统，主要从技术原理和1 0 0 G b p s 北京交通大学硕士学位论文 绪论 D P Q P S K 系统建模两方面对该系统进行介绍和分析。其中技术原理从Q P S K 码 型的调制解调、偏振复用原理、相干检测和D S P 处理单元四部分介绍，1 0 0 G b p s D P Q P S K 系统建模分别从发射端建模、传输链路建模和接收端建模进行阐述。 第三章1 0 0 G b p s 光传输系统设备采购，首先对我校国家级通信工程特色专业 实验教学平台的建设做了简单介绍，从建设的重要性和设备采购原则两个角度进 行阐述。然后从发射端、传输链路和接收端三个方面提出该系统搭建的解决方案， 并对主要购买设备进行简单介绍。 第四章载波恢复，载波恢复是D S P 处理单元中重要的组成部分，在本章中， 从载波频偏估计算法和载波相位估计算法两方面进行阐述。载波频偏估计算法重 点介绍了M 次方频偏估计算法，载波相位估计算法例举了三个最主流的算法： V i t e r b i V i t e r b i 相位估计算法、Q P S K 划分算法和相位盲扫法。 第五章基于粒子群算法的载波相位估计，在本章中，首先介绍了在随机数据 处理方面应用广泛的粒子群算法( P S O ) ，然后在P S O 算法基础上提出了一种改 进的载波相位估计自适应迭代算法( K P S O ) ，最后用M a t l a b 软件对该算法进行 仿真，分析该算法的性能、优缺点等。 第六章对本论文的工作进行了总结，并对后续工作进行展望，简单提出了一 种K - P S O 与基于网格密度的聚类相结合的载波相位估计算法。 北京交通大学硕士学位论文 1 0 0 G b p s D P - Q P S K 相干光传输系统 210 0 G b p s D P Q P S K 相干光传输系统 2 1 主要技术原理介绍 1 0 0 G b p s D P - Q P S K 相干光传输系统的主要技术包括，Q P S K 码型调制、偏振 复用技术、接收端的相干检测技术及D P S 处理技术。 2 1 1Q P S K 码型调制与解调 Q P S K 码型调制是通信信号中最常用的调制方式，主要是因为Q P S K 信号具 有较高的频谱利用率和较高的抗干扰能力，尤其在无线通信中，Q P S K 调制方式 已经占据了主导地位【1 2 】【1 3 】。 Q P S K ，即正交相移键控，将传输信息存放于载波相位中。如图2 1 所示，为 Q P S K 调制示意图，先将输入的二进制数据进行极性N R Z 编码，然后进行串并转 换，分别与两路正交载波相乘，最后通过相加电路后得到输出信号。 c o s ( z g I , 垮 j 一塞淑2 旗妁 图2 1Q P S K