（通信与信息系统专业论文）光纤通信系统中码型调制和性能监测技术的研究.pdf

光纤通信系统中码型调制和性能临测技术的研究 摘要 摘要 近几年来，互联网业务的迅猛增长对骨干网络和接入网络的传输和处理能力 提出了更高的要求，刺激了光纤通信新技术的发展，出现和发明了大量新型的光 纤通信器件，新型的光纤通信子系统也取得重要进展，光纤通信又一次出现了蓬 勃发展的新局面。本论文围绕光纤通信系统中的子系统设计，以提高系统传输性 能，确保信号传输质量为目标，主要对码型调制和性能监测技术进行了研究，具 体在以下几个方面： 基于双平行调制器的多码型发射机：光发射机是光纤通信中的基本设备，它 负责将待发射的电信号通过调制等方式变换成光信号，并送入光纤传输。目前， 虽然光发射机研究较多，但是码型可调的光发射机的研究很少见诸报道。多码型 发射机可以根据应用环境的不同及时地调整发射码型，在应用中具有现实意义。 本论文第二章利用双路m a c h z e h n d e r 调制器，它可以产生d u o b i n a r y ，r z a m i 以及m a n c h e s t e r 等码型，并可以方便地在各种信号格式之间切换，适用于不同 应用环境下对不同调制码型的要求。通过上述调制码型的产生，证明了信号编码 也可以利用双路m a c h z e h n d e r 调制器在光上完成。d u o b i n a r y 和r z a m i 信号的 产生说明对光信号实现了加减运算，m a n c h e s t e r 信号的产生说明对光信号产生了 等效的异或运算。 基于偏振正交载波复用的d p s k 系统中的频率偏移监测技术：差分相移键控 ( d p s k ) 信号是光纤通信中常用的调制格式之一，由于判决门限固定，采用平 衡接收的d p s k 信号相比o o k 信号接收而言对光信号的功率变化提供了更高的 容忍度。然而，在d p s k 解调系统中要求d p s k 信号中心频率与干涉仪中心频 率对准，而激光器长期工作的不稳定性会给d p s k 信号接收带来功率代价。本文 在第三章详细报道了我们提出的基于偏振正交载波复用的频率偏移监测方法，它 具有监测装置简单，监测灵敏度高等特点，且监测信号输出与频率偏移之间近似 为线性关系，这就为d p s k 解调系统的反馈控制提供了良好的条件。 基于相干检测的带内o s n r 和光谱监测技术：o s n r 监测是了解系统工作性 能，估计信号传输质量的一个重要的技术手段。然而，在可重构光网络中，由于 每一信道经过的物理路径不同，使得带内o s n r 监测成为一个重要的问题。本 论文第四章详细分析了已有的o s n r 监测技术的优势和不足，提出了一种基于 相干检测的带内o s n r 和光谱监测技术，实验结果表明，在1 6 3 0 d b 的范围内， 我们提出的o s n r 监测技术可以较精确地监测信号的o s n r ，使用相干检测方法 光纤通信系统中码型调制和性能帧测技术的研究 摘要 得到的o s n r 值与标准值相比，最大误差不超过o 5 d b 。使用相干检测技术，我 们还实现了带内a s e 光谱和信号光谱的监测。测得的带内a s e 光谱揭示了滤波 器的通带特性，通过结合信号光谱，可以用来监测滤波器中心与信号中心波长的 频率飘移。实验结果表明，我们提出的方法可以较准确地完成这一功能。 抗偏振传输损伤的带内o s n r 监测技术：在w d m 光纤传输系统中，x p m 效应导致的偏振散射效应( p o l a r i z a t i o ns c a t t e r i n g ) 会造成信号的偏振状态产生 随机变化，这就破坏了已有的o s n r 监测方案成立的条件，给o s n r 监测带来 很大的误差。因此，寻找一种抗偏振传输损伤的o s n r 监测技术就显得愈发重 要。本文第五章提出了一种基于拍频噪声测量的o s n r 监测方案，该技术适用 于光同步传输数据。对于类s o n e t 数据流，实验验证了在偏振散射效应存在的 情况下所提出的o s n r 监测方案的性能。实验结果表明，所提出的方案可以抵 抗偏振传输损伤，在1 0 - - 2 7 d b 的范围内，o s n r 监测误差不超过0 8 d b 。同时， 验证了所提出的o s n r 监测方案对同步分组数据流的o s n r 监测效果，所得结 果表明，对两个分组的数据流，在1 0 - - 2 5 d b 的范围内，最大的o s n r 测量监测 误差小于0 6 d b 。 关键词：波分复用，码型调制，多码型发射机，光性能监测，频率偏移监测，光 信噪比监测，偏振传输损伤 a b s t r ac t i nr e c e n ty e a r s ，t h e r eh a v e b e e ni n c r e a s i n gd e m a n d sf o r i n t e r n e tb a n d w i d t h w h j c h s e t sn e w r e q m r e m e n t sf o rt h et r a n s m i s s i o nc a p a c i t ya n ds w i t c h i n gf u n c t i o n so ft h e b a c k b o n ea n da c c e s sn e t w o r k s i nt h ea r e ao fo p t i c a lc o m m u n i c a t i o n ，a v a r i e t yo fn e w t e c h n o l o g i e s ，e q u i p m e n t s ，a n ds u b s y s t e m sa r ed e v e l o p e dt om e e tt h er e q u i r e m e n t s w h i c hl e a d st oan e w g e n e r a t i o no fo p t i c a lc o m m u n i c a t i o n s i nt h i sp a p e r , w ef o e u so n i m p r o v i n gt h eo p t i c a lp e r f o r m a n c ef o rt h ef u t u r eo p t i c a lc o m m u n i c a t i o n s ，a n dp i ni n t h e o p t i c a lm o d u l a t i o nf o r m a t sa n do p t i c a lp e r f o r m a n c em o n i t o r i n gi n o 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 s t h em a j o rr e s e a r c ha c h i e v e m e n t sa r es u m m a r i z e da s f o l l o w s ： m o d u l a t i o nf o r m a tt u n a b l e t r a n s m i t t e r ：o p t i c a lt r a n s m i t t e ri so n eo ft h e f u n d a m e n t a lm o d u l e si no p t i c a lc o m m u n i c a t i o ns y s t e m s i tt r a n s l a t e st h ee l e c t r i c a l s i g n a li n t oo p t i c a ls i g n a la n dl a u n c hi ti n t ot h ef i b e r s u s u a l l y , at r a n s m i t t e rg e n e r a t e s as p e c i f i cd a t af o r m a ta n di sl i m i t e dt oi t s s p e c i f i ca p p l i c a t i o n t oa d a p tt od i f f e r e n t a p p l i c a t i o n s ，i ti sp r e f e r e n t i a lt og e n e r a t ev a r i o u sf o r m a t su s i n go n et r a n s m i t t e ri na f l e x i b l em a n n e r i nc h a p t e r2 ，w ed e s i g nam o d u l a t i o nf o r m a tt u n a b l et r a n s m i t t e r b a s e do nd u a l - p a r a l l e lm a c h z e h n d e rm o d u l a t o r t h e e x p e r i m e n tr e s u l t ss h o wt h a tt h e d u o b i n a r y , r e t u r nt oz e r o - a l t e r n a t em a r ki n v e r s i o n ( r z a m i ) ，a n dm a n c h e s t e rf o r m a t c a nb eg e n e r a t e db yt h ep r o p o s e dt r a n s m i t t e r , a n di ti sv e r yf l e x i b l et os w i t c hb e t w e e n t h e s ed i f f e r e n tf o r m a t s o nt h eb a s eo ft h eg e n e r a t i o no ft h e s ef o n l l a t s i ti s e v i d e n t t h a tt h es i g n a lc o d i n gp r o c e s s ，s u c ha sp l u s ，s u b t r a c ta n dx o r o p e r a t i o nc a nb e r e a l i z e di no p t i c a ld o m a i n b yt h ed u a l p a r a l l e lm a c h z e h n d e rm o d u l a t o r f r e q u e n c yo f f s e tm o n i t o r i n gf o rd p s ks y s t e m ：d i f f e r e n t i a lp h a s es h i f tk e y i n g ( d p s k ) i so n eo ft h ef o r m a t s c o m m o n l y u s e di nn e wg e n e r a t i o n o p t i c a l c o m m u n i c a t i o n s u s i n gb a l a n c e dr e c e i v e r , d p s ks i g n a lh a sf i x e dt h r e s h o l d t h e r e f o r e i th a sb e t t e rt o l e r a n c ef o rp o w e rf l u c t u a t i o n si nc o m p a r i s o nw i t ht h eo o k s i g n a l t o p r o p e r l yo p e r a t ead p s ks y s t e m ，i ti se s s e n t i a lt oa l i g nt h ew a v e l e n g t ho ft h ed e l a y i n t e r f e r o m e t e rw i t ht h a to ft h eo p t i c a ls o u r c eb e c a u s ea s l i g h tm i s a l i g n m e n tr e s u l t si n l a r g ep e r f o r m a n c ed e g r a d a t i o n i nc h a p t e r3 ，w ep r o p o s e dam e t h o df o rf r e q u e n c y o f f s e tm o n i t o r i n gu s i n gp e r p e n d i c u l a r l yp o l a r i z e d o p t i c a l c a r r i e r t h e p r o p o s e d m e t h o dh a st h ef o l l o w i n ga d v a n t a g e s ：i to n l yr e q u i r e sl o ws p e e dc o m p o n e n t sf o r m o n i t o r i n gs e t u pa n dh a sh i g hs e n s i t i v i t i e se s p e c i a l l yf o rs m a l lf r e q u e n c yo f f s e t t h e m o n i t o r e dd cc u r r e n ti sn e a r l yl i n e a rw i t ht h e 仔e q u e n c yo f f s e t ，w h i c hi sag o o d f e e d b a c ks i g n a lf o ra d j u s t m e n to ft h ed e l a yi n t e r f e r o m e t e r i n b a n do s n ra n do p t i c a ls p e c t r u mm o n i t o r i n g ：o p t i c a ls i g n a lt on o i s er a t i o ( o s n r ) i so n eo ft h ep a r a m e t e r st oe s t i m a t et h es i g n a lq u a l i t yi nt r a n s m i s s i o ns y s t e m h o w e v e r , i nr e c o n f i g u r a b l ew a v e l e n g t hd i v i s i o nm u l t i p l e x e d ( w d m ) n e t w o r k s ，e a c h d a t ac h a n n e lm a yg ot h r o u g hd i f f e r e n tp h y s i c a lp a t h a l t h o u g ht h eo u t - o f - b a n dn o i s e c a nb e s u p p r e s s e db y t h e f i l t e r i n ge f f e c t o ft h e m u l t i p l e x i n g d e m u l t i p l e x i n g c o m p o n e n t s ，i ti s t h ei n b a n da 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 ( a s e ) n o i s et h a t d e t e r m i n e st h eo p t i c a lo s n r i nc h a p t e r4 ，w ep r o p o s ea n dd e m o n s t r a t ean o v e l i n - b a n do p t i c a lo s n ra n ds p e c t r u mm o n i t o r i n gt e c h n i q u eb a s e do ns w e p tc o h e r e n t d e t e c t i o n t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o w st h a ta c c u r a t em e a s u r e m e n to ft h eo s n ri n aw i d er a n g eo f16 30d bc a nb ea c h i e v e d ，a n dt h em a x i m a lm o n i t o r i n ge r r o ri sl e s s t h a no 5d b w i t ht h ec o h e r e n td e t e c t i o nt e c h n i q u e ，w ea l s or e a l i z e da ni n b a n da s e s p e c t r u ms i g n a ls p e c t r u mm o n i t o r i n g t h ei n - b a n da s en o i s es p e c t r u m ，w h i c h r e v e a l st h ep a s s - b a n ds h a p eo ft h ef i l t e r s ，c a l lb eu s e dt od e t e r m i n et h em i s a l i g n m e n t b e t w e e nt h ec e n t r a l 行e q u e n c yo ft h es i g n a la n dt h ef i l t e r s g a t e ds i g n a lr fs p e c t r a la n a l y s i st e c h n i q u e ：i nw d mt r a n s m i s s i o ns y s t e m s ，t h e s i g n a lp o l a r i z a t i o ns t a t e s a r er a n d o mb e c a u s eo ft h ei n t e r - c h a n n e lc r o s s p h a s e m o d u l a t i o n ( x p m ) i n d u c e dp o l a r i z a t i o ns c a t t e r i n g e f f e c t a sar e s u l t ，t h e p o l a r i z a t i o n - a s s i s t e dm e t h o d ss u c ha sp o l a r i z a t i o n n u l l i n gt e c h n i q u e ，a r en o te f f e c t i v e a n ym o r ew h e nt h e ya r eu s e df o ro s n rm o n i t o r i n g 。t h e r e f o r e ，a no s n rm o n i t o r i n g m e t h o dt h a ti sn o ta f f e c t e db yp o l a r i z a t i o ni m p a i r m e n t si sd e s i r a b l e i nc h a p t e r5 ，w e p r o p o s ea n dd e m o n s t r a t eag a t e ds i g n a lr fs p e c t r a la n a l y s i st e c h n i q u e ，w h i c ht a k e s a d v a n t a g eo ft h ep e r i o d i cn a t u r eo ft h ef r a m eh e a d e ro fs y n c h r o n o u st r a f f i c t h e e x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a to u rm e t h o di sr o b u s tt o f i b e rn o n l i n e a r i t yi n d u c e d p o l a r i z a t i o n r o t a t i o n i nw d ms y s t e m s i nt h eo s n rr a n g eo f1 0 2 7d b ，t h e m o n i t o r i n ge r r o ro ft h ep r o p o s e dm e t h o di sl e s st h a n0 8d b i nt h em e a nt i m e ，w e a l s ov e r i f yt h ee f f e c t i v e n e s so ft h ep r o p o s e ds c h e m ef o rat w o p a c k e ti n t e r l e a v e d s y s t e m t h em o n i t o r i n ge r r o ri sl e s st h a n0 6d bi nt h e0 s n rr a n g eo f10 2 6d b k e y w o r d s ： w a v e l e n g t h d i v i s i o n m u l t i p l e x i n g ( w d m ) ， m o d u l a t i o n f o r m a t ， m u l t i f o r m a tt r a n s m i t t e r , o p t i c a lp e r f o r m a n c em o n i t o r i n g ，行e q u e n c yo f f s e tm o n i t o r i n g ， o p t i c a ls i g n a lt on o i s er a t i om o n i t o r i n g ，p o l a r i z a t i o ni m p a i r m e n t s 光纤通信系统中码型调制和性能临测技术的研究 缩略语 a m i a s e a s k a p d b e r b e r t c d d f b d g d d i d o p d p s k d q p s k e d f a e t d m f b g f s k f w h m g p i b i f w m i m d d i x p m l p f m s k m z m z m n f n i 屹 o a d m 0 f p i o o k o p m 缩略语 a l t e r n a t em a r ki n v e r s i o n 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 a m p l i t u d es h i f tk e y i n g a v a l a n c h ep h o t od i o d e b i t - e r r o r - r a t i o b i t e r r o r - r a t i ot e s t e r c h r o m a t i cd i s p e r s i o n d i s t r i b u t e df e e d b a c k d i f f e r e n t i a lg r o u pd e l a y d e l a yi n t e r f e r o m e t e r d e g r e 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 h a s es h i f tk e y i n g 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 i n g e r b i u m - d o p e df i b e ra m p l i f i e r s e l e c t r i c a lt i m e - d i v i s i o nm u l t i p l e x i n g f i b e rb r a g gg r a t i n g f r e q u e n c ys h i f tk e y i n g f u l l w i d t hh a l f - m a x i m u m g e n e r a lp u r p o s ei n t e r f a c eb u s i n t r a - c h a n n e lf o u r - w a v em i x i n g 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 i n t r a c h a n n e lc r o s s p h a s em o d u l a t i o n l o w p a s sf i l t e r m i n i m u ms h i f tk e y i n g m a c h z e h n d e r m a c h z e h n d e rm o d u l a t o r n o i s ef i g u r e n o n r e t u r nt oz e r o o p t i c a la d d d r o pm u l t i p l e x e r o p t i c a lf i b e rp o l a r i z a t i o ni n t e r f e r o m e t e r o n o f fk e y i n g o p t i c a lp e r f o r m a n c em o n i t o r i n g 光纤通信系彰壁码翌望堕! 塑丝堂堕型垫查堕婴壅 丝堕堕 o s a o s n r o t d m o x c p b s p c p d p m d p o l s k p p g p s b t p s k r f r i n r z s 匝 s o n e t s p m v o a w d m x p m o p t i c a ls p e c t r u ma n a l y z e r o p t i c a ls i g n a lt on o i s er a t i o o p t i c a lt i m e - d i v i s i o nm u l t i p l e x i n g o p t i c a lc r o s sc o n n e c t o r p o l a r i z a t i o nb c a ms p l i t t e r p o l a r i z a t i o nc o n t r o l l e r p h o t od e t e c t o r p o l a r i z a t i o nm o d ed i s p e r s i o n p o l a r i z a t i o ns h i f tk e y i n g p u l s ep a t t e r ng e n e r a t o r p h a s es h a p e db i n a r yt r a n s m i s s i o n p h a s es h i f tk e y i n g r a d i of r e q u e n c y r e l a t i v ei n t e n s i t yn o i s e r e t u r nt oz e r o s i n g l em o d ef i b e r s y n c h r o n o u so p t i c a ln e t w o r k i n g s e l f - p h a s em o d u l a t i o n v a r i a b l eo p t i c a la t t e n u a t o r w a v e l e n g t hd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g c r o s s p h a s em o d u l a t i o n 光纤通信系统中码犁调制和性能监测技术的研究申请上海交通大学博十学位论文 上海交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借 阅。本人授权上海交通大学可以将本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和汇编本学位论文。 保密口，在一年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密臼 ( 请在以上方框内打“4 ) 学位论文作者签名： 日期砂辛月( 。日 tf 莎参及 i 指导教师签名：艺r 卫态 、 光纤通信系统中码型i l l l , t ；l l 和性能监测技术的研究 申请i - i 蠹i 交通大学博士学位论文 上海交通大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究 工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人 或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集 体，均已在文中已明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 上海交通大学博士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 在当今高度信息化的世界中，互联网业务的飞速增长，持续不断的电信市场 的开放和扩展以及电子商务普及化等因素，无不刺激着通信容量的迅猛增长，这 些都对目前的通信传输技术和交换技术提出了更高的要求。 光纤具有约5 0 t h z 的潜在带宽容量，通信容量大；具有损耗低，传输距离 长；抗干扰能力强，保密性好；重量轻，材料来源广泛，经济性好等优点，这使 得光纤通信成为大容量长距离高速传输的首选通信方式，已广泛应用于海底通 信，长途干线，有线电视传输等各个领域。现代光通信的出现使原有的通信技术 发生了巨大变化，加速了社会信息化的发展。 1 1 现代光纤通信系统 1 1 1 光纤通信技术的发展 真正具有实用意义的光通信是从1 9 7 0 年美国康宁( c o m i n g ) 公司制成衰减 为2 0d b k m 的低损耗石英光纤和美国贝尔( b e l l ) 实验室制作出可在室温下连 续工作的a 1 g a a s 半导体激光器开始的【1 】。这两项研究成果，奠定了现代光通信 的发展基础。 衡量传输系统性能的典型指标是比特速率一传输距离乘积，其中传输距离是 按照从发射端丌始直到要保证接收机对误码率的最低要求而必须进行信号再生 的那一点之间的距离，即无电中继的最大传输距离。光纤通信发展到现在，按照 所使用的技术特征以及信道容量分类，已经经历了五个大的发展阶段，如图1 1 所示： 1 e 7 掣0 0 0 0 0 0 工 童1 0 0 0 0 0 直 g1 0 0 0 0 ， 罢 1 0 0 0 史 厶 1 0 0 一 1 0 1 1 9 7 6 1 9 8 0 1 9 8 4 1 9 8 8 1 9 9 2 1 9 9 62 0 0 0 2 0 0 4 y e a r s 图l 。1 光纤通信容量的发展【2 】 f i g 1 1d e v e l o p m e n to fc a p a c i t i e so fo p t i c a lc o m m u n i c a t i o n s 【2 】 上海交通人学博士学位论文 第一章绪论 其中，最早期的光纤通信以多模光纤和8 5 0 n m 波段通信窗口的使用为特征， 这一时期，半导体光源的工作波段在0 8 f m ，恰好与当时光纤的低损耗窗口相一 致。第一代光纤通信系统工作于1 9 7 8 年投入使用，速率范围在5 0 一1 0 0 m b s ， 中继距离为1 0 k m 。与同轴电缆系统相比，光纤系统拥有较大的中继距离，这可 以减小对中继站的安装和维护费用。8 0 年代以后，为了进一步降低光纤的衰减 损耗，通信窗口逐步过渡到1 3 1 0 r i m 和1 5 5 0 n m ，其中在1 5 5 0 n m 窗口光纤具有最 低的衰减，但是，在这一窗口，光纤具有较大的色散，这使得第三代光纤通信系 统迟迟不能实现，这一问题直到色散位移光纤出现以后才得到了解决。9 0 年代 以后，随着掺饵光纤放大器( e d f a ) 的使用，系统的比特速率一传输距离乘积 纪录不断被刷新。2 0 0 3 年欧洲光通信会议( e c o c ) 报道了3 0 1 x 1 0 g b n 的d p s k 信号实现了1 0 2 7 0 k m 的传输距离 3 】，其比特速率一传输距离乘积达到了 3 0 9 1 3 t b s k m 。 早期的数字光纤通信系统一般采用强度调制一直接检测( i m 。d d ) 方式 4 8 ， 它使用电子数据脉冲直接调制光载波的强度，在接收端，光信号直接送入光电检 测器，通过判决光信号的强度恢复所发送的信息。其典型原理框图如图1 2 所示： 门厂 d a t a 肾堋 m o d u l a t e ds i g n a l o t o d i o d e 门厂 r e c e i v e ds i g n a l 图1 2i m d d 光纤系统构成原理框图【4 】 f i g 1 2s c h e m a t i co fi m d ds y s t e m s 4 1 迄今为止，几乎所有实用化的光纤系统都是采用非相干的强度调制一直接检 测方式。这类系统成熟、简单，成本低，性能优良，已经在电信网中获得了广泛 的应用，并仍将扮演主要的角色。然而，在上世纪8 0 年代末和9 0 年代初，研究 者发现这种i m d d 方式没有利用光载波的相位和频率信息，而使用相干检测系 统除了可以利用光载波的相位和频率信息外，还可以大大提高信号接收的灵敏 度；同时，使用相干检测系统也允许减小信道间隔，提高光纤带宽的利用率。因 此，在这一时期，相干光纤通信系统的研究受到重视 9 1 3 。所谓相干检测系统， 就像传统的无线电和微波通信系统一样，用调制光载波的频率或相位发送信息， 使用零差或外差技术检测发送来的信号。图1 3 给出了一个典型的相干通信系统 原理框图： 2 上海交通大学博：l 学位论文第一章绪论 r e c e i v e ds i g n a 门厂能删测徽莎卜 几厂 d a t am o d u l a t e ds i g n a ll ol a s e rr e c e i v e ds i g n a l 图1 3 相干光纤通信系统构成原理框图【9 】 f i g 1 3s c h e m a t i co fc o h e r e n tc o m m u n i c a t i o ns y s t e m s 【9 】 图中，待传送的电子数据脉冲调制在光载波的相位上，也可以采用频率调制 或幅度调制等其它调制方式。在接收端，待接收的光信号首先通过光耦合器与本 振激光器混频，混频后的信号送到光电检测器，得到一个频带位于微波频段的中 频，该中频的频率为待接收光信号与本振光信号的频率差，一般为几个g h z 到 几十g h z ，表示为： 国= 国咖讲一国加 ( 1 1 ) 如果信号频率与本振频率相等，称为零差检测方式；如果信号频率与本振频 率不相等，则称为外差检测方式。 使用相干检测方式可以获得较高的灵敏度，例如对于相位调制信号，使用相 干方式其理论上的灵敏度极限为每比特9 个光子，是所有接收方式中灵敏度最高 的 4 】。但是，相干通信系统对激光器的线宽有很高的要求。一般来说，为了使 激光器相位噪声造成的功率代价小于l d b ，则要求激光器线宽必须小于传输速率 的1 。当数据速率为1 0 g b s 时，要求激光器线宽小于1 m h z 1 4 】。这对于大多 数光源来说，都是一个较为苛刻的要求。此外，在相干通信通信系统中，要求信 号光与本振光的偏振状态匹配，而在实际应用中尤其是经过光纤传输以后，这一 条件很难得到满足。正是由于这些限制因素，相干光纤通信系统在很长一段时间 内没有得到发展。9 0 年代中期以后，随着掺铒光纤放大器的出现，传统的i m d d 系统逐渐取代了相干光纤通信系统。 f i b e r 图1 4d p s k 光纤通信系统构成原理框i 型 1 5 】 f i g 14s c h e m a t i co fd p s ks y s t e m 【15 】 3 由 卜 上海交通大学博士学位论文第一章绪论 最近几年以来，。差分相移键控( d p s k ) 系统的研究和发展受到重视 1 5 1 9 】， 成为除i m d d 系统之外的又一大分支。图1 4 给出了d p s k 系统原理框图。d p s k 系统使用相邻比特间的相位差传送信息，即如果待传送的信息比特为“1 ”，则相 邻比特间的相位变化为“兀”；如果待传送的信息比特为“0 ”，相邻比特间的相位 不变。在接收端，通过比较相邻比特间的相位差判决待接收的比特为“1 或是 “o ”。由于d p s k 系统依靠相邻比特问的相位变化传送信息，因此只要光载波的 相位在一比特时间内不发生变化，就能正确地接收信息，因而降低了对激光器线 宽的要求：同时，正是由于这一特点，使得d p s k 系统更适用于高速通信系统， 例如对于2 5 g 的系统，其比特间隔为4 0 0 p s ，而对于4 0 g 的系统，其比特间隔 为2 5 p s 。显然，d p s k 信号对于4 0 g 系统的激光器线宽要求更低一些。 采用平衡接收的d p s k 信号相对于i m d d 信号具有3 d b 的灵敏度优势 2 0 2 3 ，这意味着在相同的接收功率时使用d p s k 信号可以延长倍的传输距 离。由d p s k 系统可以进一步构成d q p s k 系统，与i m d d 系统相比，它具有 谱效率高、对窄带滤波不敏感等优点 2 4 2 7 1 ，是目前研究的热点之一。 1 1 2 现代光纤通信系统的构成 一 o p 6 iii r l 墼犁壁型i 广面田 q 至丑懂显盔h 斟自 幽1 5 光纤通信系统的构成框图 f i g 1 5s c h e m a t i co fo p t i c a lc o m m u n i c a t i o ns y s t e m s 图1 5 是一个典型的光纤通信系统的构成框图，它可以分为三个部分：发射 机、传输信道和接收机。其中，发射机的功能是将待传输的信号调制到光载波上， 并发射到传输信道。对于l o g b s 以上的系统，一般采用外调制韵方式，用以减 小啁啾效应，增大传输距离；而对于1 0 g b s 以下的系统，可以采用内调制的方 式简化发射机。 传输信道包括光纤和光放大器两部分。光放大器用来补偿光纤传输带来的衰 减，常用的光放大器为掺铒光纤放大器( e d f a ) 。光放大器的使用会引入自发辐 射噪声( a s e ) ，a s e 噪声的引入是信号质量下降的主要因素之一。在光纤通信 4 莎p j 飞k 皿 岬淼仑 皿 陟陟皿黼 海交通人学博f ：学位论文 第。章绪论 系统中，信号质量用o s n r 表征，它定义为信号功率在参考带宽内对噪声功率 的比值。一般来说，在长途传输系统中，o s n r 的大小取决于系统中所用放大器 的个数( ) 和放大器的噪声指数( n f ) ，它们之间有如下关系 2 8 】： o s n r ( d b ) = p i 。+ 5 8 一l o s s ( d b ) 一n f ( d b ) 一1 0 l o g ( n )( 1 2 ) 其中尸加为入纤功率，l o s s 为光纤段的损耗。 光接收机用来把经光纤远距离传输后的微弱光信号检测出来，然后放大再生 成原来的电信号，完成通信任务。它丰要包括前置光滤波器、光电检测器和电滤 波器以及时钟恢复和判决等部分。前置光滤波器用来滤除a s e 噪声，以提高光 信号的接收灵敏度，通常其带宽为数据速率的2 3 倍。光电检测器将光信号变 换为电流输出，通常采用p f 一刀或a p d 半导体器件实现 2 9 】。它们是基于光子在 半导体材料内的吸收原理，通过光子吸收在半导体材料内形成电子一空穴对，每 个电子一空穴对构成。个电荷载流子，这些电荷载流子在外加电场的作用下形成 光电流。光电二极管是一种平方率器件，光电流的大小与入射到半导体中的光子 数成正比。电滤波器用来滤除宽带的热噪声，提高电信号的信噪比，以利于后继 的电路的判决输出。 时钟恢复和判决电路构成接收机的数据恢复部分。时钟恢复电路从接收到的 数据比特流中提取定时信息，使判决电路与数据流保持同步。判决电路将接收到 的数据信号与一个阈值进行比较，如果高于阈值，判决为“l 输出高电平