（电磁场与微波技术专业论文）100gbs+pmqpsk相干光接收机电域均衡算法的研究.pdf

独创性( 或创新性) 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及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京邮电大学或其他 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了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 、 正 本人签名： 承避 同期： 2 4 1 2 ：2z 工 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生在 校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京邮电大学。学校有权保留并向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许学位论文被查阅和借阅；学校 可以公布学位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段 保存、汇编学位论文。 本人签名：塞盗 闩期：当铷：，呈= f 羔 导师签名： 闩期：三趋 翌：；，! 圭 l o o g b sp m q p s k 相干光接收机电域均衡算法的研究 摘要 随着社会信息化的不断发展，高速率高质量数据业务的增加对传 输系统容量提出了新的要求，需要1 0 0 g b s 传输技术支撑的下一代干 线承载网络的需求已初现端倪。近年来在诸多新型超高速光传输技术 中，基于电域信号处理技术的偏振复用相干检测光纤传输系统，一方 面利用光偏振复用及多进制调制技术有效提高了频谱利用率；另一方 面利用光相干解调方式替代传统的直接检测方式，由于保留了光信号 的幅度和相位信息从而可以在电域进行灵活动态的数字去损伤、解复 用处理，因此获得了普遍关注并成为光通信领域的研究热点之一。 本论文在国家8 6 3 计划课题“1 0 0 g b s 相干光传输关键技术研究 ( 2 0 0 9 a a 0 1 2 2 2 1 ) 资助下，对n r z q p s k 调制方式单波长l o o g b s 偏振复用相干光传输系统展开研究，对系统基于光相干检测的数字信 号处理算法进行建模仿真及实现方案设计。论文主要工作包括： 一、深入研究了l o o g b sp m n r z q p s k 相干光传输系统的工作 原理，建立了相干光接收传输系统的实验仿真模型，进行了p m q p s k 接收机的m a t l a b 离线处理仿真平台总体设计。 二、研究设计了基于c m a 算法的综合补偿光纤c d ( 色度色散) 、 p m d ( 偏振模色散) 及偏振解复用的数字信号处理均衡方案。分析对比 了c m a 和l m s 两种主流的均衡算法，通过系统仿真考察了c m a 算 法关键参数和光纤信道特性等对系统传输系统性能的影响，得出了对 1 0 0 g b sp m q p s k 光纤传输系统设计具有参考价值的相关结论。 三、分析了传统c m a 算法存在的固有缺陷，提出了基于代价函 数分离和初始化条件重置的两种改进算法，并仿真验证了基于代价函 数分离的改进c m a 算法能够同时实现盲均衡与补偿相位损伤，基于 初始化条件重置的误码率辅助c m a 算法能够解决传统c m a 算法可 能出现的误收敛问题。 四、为减少算法复杂度、降低算法实时性要求，设计了两种并行 处理时域均衡方案，并仿真验证了其有效性。 关键词光纤通信偏振复用相干光检测电域信号处理自适应 均衡算法 t h er e s e a r c h0 ne l e c t r i c a le q u a l i z a t l 0 n a l g o r i t h mi no p t i c a lc o h e r e n tr e c e i v e r s a b s t r a c t w i t ht h ec o n t i n u a l d e v e l o p m e n t o fl n f o r m a t i o n s o c i e t y ，t h e s u b s t a n t i a lr e q u i r e m e n to fh i g h - - q u a l i t ya n dh i g h - s p e e dd a t as e r v i c e s s e t st h en e wr e q u e s tf o rt r a n s m i s s i o ns y s t e mc a p a c i t y ，e s p e c i a l l yf o r b a c k b o n en e t w o r k s t h e r e f o r e ，i no r d e rt oe n h a n c i n gs y s t e mc a p a c i t y ， t r a n s m i s s i o nt e c h n o l o g yb a s eo nl o o g b si ns i n g l ec h a n n e li sw i d e l y s t u d i e di no p t i c a lf i b e rc o m m u n i c a t i o na r e a i nr e c e n ty e a r s ，p o l a r i z a t i o n d i v i s i o nm u l t i p l e x i n gs y s t e mw i t h o p t i c a lc o h e r e n tr e c e i v e r sb a s e do nd i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n g ( d s p ) h a sb e e n i n c r e a s i n g l y c o n c e r n e da n d e m p h a s i z e d f o r l o n g h a u l t r a n s m i s s i o ni nan u m b e ro fn e wu l t r a h i g hs p e e do p t i c a lt r a n s m i s s i o n t e c h n o l o g y n o to n l y d o e si t i m p r o v et h es p e c t r a le f f i c i e n c ya n d d o u b l et h ei n f o r m a t i o nr a t eb yu s i n gm u l t i l e v e lm o d u l a t i o nf o r m a t s ， b u ta l s oo p t i c a lc o h e r e n td e t e c t i o nc o n t a i n sb o t ha m p l i t u d ea n dp h a s e i n f o r m a t i o nw h i c ha l l o w st oc o m p e n s a t ei m p a i r m e n t sf l e x i b l yi n d i g i t a ld o m a i n t h et h e s i sp r o f o u n d l yi n v e s t i g a t e so p t i c a lc o h e r e n tp o l a r i z a t i o n m u l t i p l e x i n gq p s kt r a n s m i s s i o ns y s t e mw i t hr a t eo f1 0 0 g b s a n di t w i l lb ed o n ef u r t h e rr e s e a r c ho ns i m u l a t i o na n dd e s i g nr e a l i z a t i o no f d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n gs c h e m e t h ew o r kc a nb ed i v i d e di n t of o u r p a r t s 1 t h et h e s i sh a ss t u d i e dt h ea r c h i t e c t u r ea n di m p l e m e n t a t i o no f s c h e m eo ft h ep m - n r z - q p s kc o h e r e n t o p t i c a l t r a n s m i s s i o n s y s t e m t h e n t h es i m u l a t i o n m o d e l i n g o f o p t i c a l c o h e r e n t t r a n s m i s s i o n s y s t e mb y v p i t r a n s m i s s i o n m a k e rh s s p r e s e n t e d ， w h i c hw i l lp r o v i d et h ed a t as o u r c et ot h ef o l l o w u pd s p c o m p u t e r o f f - l i n ep r o c e s s i n gp l a t f o r m sb ym a t l a bs o f t w a r e 。， ， 2 t h et h e s i sh a ss t u d i e da n dr e a l i z e da ne l e c t r i c a l e q u a l i z a t i o n s c h e m e ，w h i c h i sa b l et or e a l i z el i n e a r e q u a l i z a t i o n a n d p o l a r i z a t i o nd e - m u l t i p l e x i n g t h et w om a i na l g o r i t h m sf o rl m s a n dc m aw e r ec o m p a r e da n dt h el a t t e rw a ss e l e c t e da st h em o r e a d v a n c e dp r o c e s s t h e n ，t h r o u g ha n a l y z i n ga n do p t i m i z i n gt h ek e y p a r a m e t e r st h a th a v ee f f e c t so ns y s t e mp e r f o r m a n c e ，i tf o u n do u t s o m ei m p o r t a n tc o n c l u s i o n s ，w h i c hc a nb e u s e dt og u i d et h e d e s i g no fal o n g h a u lb a c k b o n es y s t e m 3 i no r d e rt os o l v et h ei n h e r e n tp r o b l e mf o rc o n s t a n tm o d u l u s a l g o r i t h m ，t w om o d i f i e da l g o r i t h m sw e r ep r o p o s e di nt h i st h e s i s s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o w e dt h a tt w on o v e l a l g o r i t h m s c a n o v e r c o m et h ep h a s e - b l i n dn a t u r eo ft h ec o n v e n t i o n a lc m aa n d o b t a i no b t a i n e dw e l lp e r f o r m a n c eu n d e rt h ec o n d i t i o n so fv a r i o u s c h a n n e l 4 o nt h eo t h e rh a n d ，b y a s s e s s i n gc o m p u t a t i o n a la n dh a r d w a r e c o m p l e x i t y ，i tp r o p o s e dt w ok i n d so fp a r a l l e lp r o c e s s i n gs c h e m e s a n do n ef r e q u e n c yd o m a i nf i l t e r i n gm e t h o d t h e n ，i ts h o w e dt h e e f f e c t i v e n e s so ft h ep r o p o s e dm e t h o di ns i m u l a t i o n k e yw o r d s o p t i c a l c o m m u n i c a t i o np o l a r i z a t i o n d i v i s i o n m u l t i p l e x i n gs y s t e m o p t i c a lc o h e r e n td e t e c t i o n e l e c t r i c a l s i g n a lp r o c e s s i n ga d a p t i v ee q u a l i z a t i o na l g o r i t h m l 目录 第一章绪论 1 1 研究背景和意义。 1 2 本文工作和章节安排 第二章p m q p s k 系统组成及工作原理 2 1 系统组成及原理概述 2 1 1 光发射模块结构及工作原理 2 1 2 光纤传输信道特性 2 1 3 光相干接收模块结构及工作原理 2 2d s p 模块算法介绍 2 2 1 数字时钟同步算法 2 2 2 均衡及偏振解复用算法 2 2 3 频偏与相偏补偿算法 第三章相干光接收机电域均衡算法与仿真 3 1 均衡及偏振解复用算法的基本原理 3 1 1c m a 算法 3 1 2l m s 算法 3 1 3 两种均衡算法的比较 3 2 基于m a t l a b 的仿真平台设计。 3 2 1 框架设计及简介 3 2 2 均衡仿真模块说明 3 3 电域均衡算法的仿真 3 3 1 均衡算法的仿真 3 3 2 偏振解复用算法的仿真 3 3 3 均衡及偏振解复用算法的仿真 第四章电域均衡算法的优化方案设计。 4 1 对传统c m a 算法的改进 4 1 1 基于代价函数分离的c m a 改进算法 4 1 2 基于初始化条件重置的c m a 改进算法3 8 4 2 均衡算法的并行处理4 2 4 2 1 基于间隔样值的并行处理算法。4 2 4 2 2 基于连续数据块的并行处理算法4 5 4 3 均衡算法的频域实现方式4 6 4 3 1 频域均衡算法的基本原理4 6 4 3 2 频域与时域均衡算法的比较4 9 第五章结束语5 1 5 1 论文工作总结5 1 5 2 问题和展望51 参考文献5 2 附录缩略词5 4 致谢5 5 攻读学位期i 日j 发表的论文和参加科研课题情况5 6 1 1 研究背景和意义 第一章绪论 随着高清视频、i p t v 、p 2 p 等宽带数据业务的f 1 益流行，对城域网和骨干网 传输带宽的需求一直在以惊人速度增长，需要1 0 0 g b s 传输技术支撑的下一代干 线承载网络的需求已初现端倪，提升d w d m 系统的传输能力是超大容量信息传 输的必然发展趋势，对国家信息基础设施的建设意义重大。当前已有业内主流路 由器厂家计划在明年6 7 月份推出1 0 0 g e 核心路由器产品，根据业界常规，这 将很快对电信承载网络形成需求压力。因此，一些国际主流电信运营商对1 0 0 g 传输技术和运营可行性表示出浓厚的兴趣，在0 8 年内丌始进行1 0 0 g 传输实验 测试。 当今社会的高度信息化，对通信系统特别是骨干通信系统提出了很高的要 求，表现为信息容量大、传输距离长、通信质量高和系统可靠性好等特性；另外 通信网络的拥有者和运营者要求网络投资成本小、运营维护费用低、系统寿命长、 维护升级方便等，这些要求给骨干传输系统提出了很大的挑战。光纤通信系统正 是凭借其巨大的带宽资源、优异的通信质量、良好的可升级扩容性等成为骨干传 输的必然选择。为满足应用需求，一些先进的传输设备制造商也在加紧研发新型 超高速光传输技术，并取得了大量的成果和技术上的突破。近年来出现了基于时 分复用技术、单维度o o k ( o n o f fk e y i n g ) 调制技术、o o f d m 技术、光偏振复用 ( p m ) 技术等的单波1 0 0 g b s 光传输方案。由于受到光源性能、w d m 系统中光波 信道划分及电光调制器带宽等因素限制，基于光时分复用技术、单维度o o k 调 制技术的单波1 0 0 g b s 光传输方案的系统性能及可升级性较差，因此当前的研究 重点主要集中在上述后两种技术方案上。n e c 、n t t 等公司分别报道了基于正 交频分复用( o f d m ) 、相位控制、直接探测接收等技术的单波长传输速率达到 1 0 0 g b s 的大容量光传输系统；n o r t e l 、a l c a t e l l u c e n t 、f u j i t s u 、荷兰e i n d h o v e n 大学等分别研究了基于多进伟t j ( m p s k m q a m ) 调制、光偏振复用、直接接收或 光相干接收等技术的单波长传输速率为4 0 g b s 左右的大容量光传输系统。 在诸多新型超高速光传输技术中，基于m p s k 、m q a m 等多进制调制技 术、光偏振复用、光相干接收等技术的相干光传输方案一方面利用光偏振复用及 多进制调制技术有效降低系统传输的符号速率，在提高频谱利用率的同时增大了 对光谱偏移的容忍度；另一方面利用光相干解调方式替代传统的直接检测方式， 其检测信号同时包含发送信号的幅度和相位信息，使发射端采用多维度调制码型 成为可能，而且提高了光接收机的接收灵敏度；因此这种方案近来获得了普遍的 关注和广泛的研究l l j 。 由于a d 转换器件的速度大幅提高和多维度调制带来的系统波特率的降低， 对单波长信道1 0 0 g b s 信号进行数字化电域均衡去损伤成为可能。采用电域d s p 均衡去损伤技术的优势在于：1 、动态实时地均衡光纤色度色散和p m d 色散并 减小光纤非线性效应损伤；2 、均衡去损伤功能与偏振解复用功能综合在一起， 以实现联合优化并免除了技术实现很困难的偏振实时跟踪反馈控制。 目前业界普遍认为：光相干检测电域均衡是高速超长距离光纤传输中最具应 用前景的技术。下表i z j 是在4 0 g 1 0 0 g 系统中，不同调制方式和接收检测方法情 况下，系统1 - d b d g d 容限、2 - d b c d 容限和对应的o s n r 数据。可以看出，对 于p m q p s k 的1 0 0 g 光纤传输系统而言，当采用相干检测的方法，运用电域均 衡补偿光传输信道引起的损伤，其能够补偿大量的c d 和p m d 损伤。 表1 - 14 0 g 1 0 0 g 系统不同调制检测情况下所需的o s n r ? w # 7 十 r e q d0 s n r 2 1d b2 5d 8 1 8 d b 1 6 d 8 1 4 - 5 d bb - 9 d 8 ( b e r = 1 0 。3 ) 0 g d v e r jl a r g e t o e r a n c e 一3 p s一3 p s。8 p sf c o h e r e n t , 1 0 d s - 4 0 ( 1 - d bp e n a l t y o v e r s a m p l e 们 v e r yl a r g e 8 ( ) o c ot o l e f a r t , c e 8d s m m 2 5 p s n m2 6 p 划n m ( c o h e r e n t 5 0 p s n m 1 2 - a bp e r e l 净；2 0 0 0l 笛n m o v e r s a m p l e d l s u p p o r t e d 1 5 0 一2 0 0 1 5 0 2 0 0 g h z1 0 0 g h zg h z 5 0 1 0 0 g n d g g h z 2 5 5 0 g h z w ? r o a m d s 所以，随着超长距离光传输面临着越发严峻的挑战和高速电路技术的不断成 熟，电域数字均衡技术正得到人们热情的关注并迅速地用到光传输系统中。目前， 已经推出了集成了自适应均衡滤波器的1 0 g b i t s 接收机1 3 l ，n t t 公司在o f c 会议 上报道了4 0 g b i t s 信号的电均衡接收机1 4 j 。 均衡技术是通信中的一项重要的技术，它用以补偿信道传递特性的不理想所 导致的接收端的信号失真。在1 0 0 g b i t s 高速长距离传输系统中，必须考虑色散 补偿问题。由于光纤在信号波长处的色散不为零，则经过长距离传输后，信号中 的各个频率分量到达接收端的时延不同，导致信号产生符号间干扰o s l ) 。为解决 该问题需要开发色散补偿器件对色散进行补偿。 从频域的角度来看，均衡是对传输信号的各频率成分的幅度和相位进行平衡 和补偿；从时域的角度来看，均衡是利用信号在时间上的联系纠正信号的波形失 真；而从整个通信系统来看，均衡是对信道特性进行估计和补偿，在获知较为准 确信道估计时，就能大大减小系统损伤。近年来，随着超长距离光传输系统面临 越发严峻的挑战和高速电路技术的不断成熟，均衡技术正得到人们热情的关注并 2 迅速地被用到光传输系统中。本课题提出的一种自适应均衡技术正是为了有效补 偿信道传输中色散和偏振模色散对信号的影响，特别是采用先进的数字信号处理 ( d s p ) 技术，能够让接收端自动适应信道特性随时间的变化，大大提高传输系 统的灵活性和适应性。 但当前的研究中单波长速率主要为4 0 g b s ，1 0 0 g b s 系统在多进制调制技术、 数字信号核心处理算法及多维度调制相干接收电域均衡的光传输系统理论模型 等方面存在大量需克服的技术难题。本课题所研究“1 0 0 g b s p m n r z q p s k ( 偏 振复用非归零四相绝对移相键控) 光相干接收传输系统”，是解决目前带宽需求 与升级成本及运营维护之间矛盾的最有效的技术方案之一，也是未来超长距离传 输系统中一种具有广阔应用前景的关键技术。1 0 0 一g b sp m q p s k 光相干接收传 输系统的优势在于：一方面，采用p m n r z q p s k 偏振复用及多重调制技术能 够很好地提高系统传输性能和改善频谱利用率，在兼容当前w d m 波长信道划分 规范的同时，提高单信道数据传输速率；另一方面，基于光相干检测的数字信号 处理技术使得可以用一个统一、公共的可编程硬件平台和不同的配置程序来实现 不同的处理功能，并能够用以有效地补偿非理想信道所导致的接收端信号失真。 所以，通过建立完整的多维度调制相干接收电域均衡的光传输系统理论模 型，设计高效的数字信号处理核心处理算法，为1 0 0 g b s 速率光纤相干传输提供 理论及算法支持，对掌握p m q p s k 核心技术具有十分重要的意义。 1 2 本文工作和章节安排 本文将对n r z q p s k 调制方式下单波长传输速率为1 0 0 g b s 的偏振复用相 干光传输系统展开研究，对系统中基于光相干检测的数字信号处理方案进行建模 仿真及设计实现，并建立仿真平台对关键技术方案进行仿真验证；包括：一研究 n r z q p s k 调制方式下单波长传输速率为1 0 0 g b s 的偏振复用相干光传输系统 结构及实现方案，重点分析基于光相干检测的数字信号处理机制与处理方案的模 块化和功能化设计。二利用v p l t r a n s m i s s i o n m a k e r 仿真工具，研究建立基于光 相干检测的数字信号处理技术接收方案的1 0 0 g b sp m n r z q p s k 光相干接收传 输系统的原型实验仿真系统，并利用m a t l a b 进行数字信号离线仿真实验。三设 计并实现综合补偿光纤c d ( 色度色散) 、p m d ( 偏振模色散) 及偏振解复用的数字 信号处理均衡方案。通过对影响系统性能的关键参数进行仿真分析和优化，得出 的相关结论对高速光传输系统设计具有参考价值。 本论文分为五章，内容安排如下： 第一章为绪论，介绍本课题的研究背景和意义等； 3 第二章简要介绍了1 0 0 - g b sp m q p s k 系统组成及工作原理，主要阐述系统 各模块功能结构和基本原理。 第三章详细阐述了相干光接收机电域均衡算法的基本原理，分析比较了 c m a 和l m s 两种主流均衡算法的各种特点，通过考察电域均衡算法在各种信道 参数条件下色散容限和各项系统性能指标，各出了对高速光传输系统设计具有参 考价值 第 了基于 化处理 出改进 第 存在的 第二章p m q p s k 系统组成及工作原理 本章节简要介绍了1 0 0 g b sp m q p s k 系统组成及工作原理，通过理论分析 数字信号在光纤系统中的处理方式，概况介绍了各核心模块的功能作用。随后， 该章节重点阐述了系统d s p 处理模块的功能结构，并给出了应用于该模块的相 关算法基本原理。 2 1 系统组成及原理概述 本文研究的p m q p s k 相干接收1 0 0 g b s 光纤传输系统由发送、传输、接收 等三部分构成，其中发送部分由光源、偏振分束模块、多进制光调制器、偏振耦 合与放大模块构成；传输部分由光纤及光放大器构成：接收部分由偏振模块、本 地振荡源、光相干混频器及光电转换模块、基于高速采样示波器的信号采样模块 ( a d c ) 、基于计算机的数字信号处理平台等构成。仿真系统模型如下图所示。 数字采样示波暑 i a d c ) 扣嘻 图2 - 1p m - q p s k 光纤传输系统结构框图 系统工作原理简述如下【5 】：在系统的发送端，激光器产生的激光通过p b s 分成两路偏振态j 下交( 记为v 方向及h 方向) 的光束。发射机两路速率为2 5 g b s ， 长度为2 1 5 _ 1 的伪随机序列电信号通过预编码，利用两个并联m z 调制器产生( d ) 5 专i； 册、_黼蝴 胼 由丫o 黯一 胼 一一 计算机散字信号处理平台 ；厂j驯引复|i f 燕 一一 用 缝合 一 一一一枨 _ | 霹墨一一判决与误码率计算l= 一r 1 q p s k 单路v 偏振信号。同样地，另外一路h 偏振信号采用相同方法调制生成。 然后利用偏振分束合成器( p b c ) 完成偏振复用，形成一路2 8 g b a u d 的 p o l m u x n r z d q p s k 信号。光纤链路由1 段单模光纤、e d f a 和光滤波器构 成，光纤参数选取g 6 5 2 的典型值，加入色散( c d ) 、偏振模色散( p m d ) 和偏 振串扰等线性损伤效应。经过了光纤循环环路长距离传输之后，p m n r z q p s k 信号到达系统的接收端。 在接收端，首先信号通过p b s 分为两个正交偏振态的光信号( 记为x 方向 和y 方向，不同于v 方向和h 方向) 。然后，利用9 0 。混频器和平衡接收机完 成两路偏振信号与本振信号( l o ) 的相干接收。其中，可调谐的本振激光器线 宽为1 m h z ，频偏范围为5 g h z 。而本振与混频器之间的偏振控制器( p c ) 是 为了保持激光源的单偏振特性。混频输出的信号经过平衡光电检测器进行光电转 换，通过a d c 进行抽样和量化处理，完成模数变换。接着，抽样和量化后的离 散数字序列被送入到d s p 模块进行处理。在d s p 计算机处理模块中，数字信号 通过时钟恢复进行时钟同步，通过电域均衡消除c d 、p m d 的影响并进行偏振解 复用，通过载波相位估计消除本振光源和发送光载波的频差以及相位噪声的影 响。经过以上几个处理环节之后，由判决器判决从而恢复出原始的发送信号。 2 1 1 光发射模块结构及工作原理 激光器l d 产生的连续光源经过p b s 后分成电场分量为邑、e 的两束正交 偏振光，然后对这两偏振光分别进行q p s k 调制，q p s k 调制采用的是并联双臂 m z 调制方式，驱动信号为2 5 g b p s 的基带数字电信号。两路q p s k 调制的偏振 光信号再经过p b c 偏振态复用后合成一路光信号在光链路上进行传输。 现假设发送的数字信号序列为五。一 0 0 1 0 f = 1 2 ，3 ，4 。两束正交偏 振光的电场分量为： b = 厩e x p j ( w t + a y o ) ) 】 = 石e x p j ( w , t + a 日( f ) ) 】 式( 2 1 ) 式( 2 2 ) 其中，p 和皱分别是激光器发送功率和频率，a 矿和口分别是两路偏振光的初 始相位。 、 q p s k ( 四相绝对移相键控) 是利用四种不同相位来表征数字信息。由于每一 个相位代表两个比特信息，故每个四进制码元又被称为双比特码元。所谓 d q p s k ( 差分正交相移键控) 就是将信息编码于连续光比特的差分相位中。对输入 的双比特码元，差分相位可以取【0 ，州2 ，兀，3 ：t 2 ( a 方式) 或 ，t 4 ，3 n 4 ，5 ：r , 4 ， 7 r , , 4 ( b 方式1 中的一个值。由于使用了差分编码方式，能够有效避免因接收机相 6 位反转导致的解码失败。为了实现光d q p s k 调制，目前主要采用是并联调制方 式，下面将介绍这种调制方式，注意：如下生成的均是n r z d q p s k 信号，如 果想得到r z d q p s k 信号，只需再加一个m z 调制器来实现r z 调制即可。在 q p s k 调制中，m z m 要采用p u s h p u l l 工作方式以避免啁啾，采用双臂调制【6 1 。 其传输方程表示为： e o u t 忍e x p ( 脚x p ( _ 三半) c o s ( 考半) 北- 3 ) 其中，k = k _ ，。( 或者镌，i ) ，k 一一k 五，。( 或者屯，。) 于是i 路与q 路的电场分别表示为 l ；x 2 2 厩e x p ( j f l l ) e x p ( j 刀r 2 ) c o s q r x l j ) 式( 2 - 4 ) q = 2 2 西e x p ( j f l l ) c o s ( 7 r x 2 t ) 式( 2 5 ) 二者合成的q p s k 信号表示如下，其中办p ) 为调制相位。 麟，y 一半西e x p ( j f l l ) e x p ( j 石2 ) c o s 帆，t ) + c o s ( t g x 2 ，。) 】 二式( 2 6 ) 仄 ；半西e x p ( j f l l ) e x p 【协( f ) 】 表2 1q p s k 调制中相位与输入信号的编码关系 j oo11 叠i o l01 牵q p s k p 43 p 4 5 p 47 p 4 同理，另外一路偏振光经过调制后，可得信号： 旷雩忍e x p ( j 脚【e x p ( 如2 ) c o s 慨j + c o s 2 甄j 】式( 2 7 ) 所以，发射端发射信号巨o ) 可以表示为： 驯；( 笔) 加勘 2 1 2 光纤传输信道特性 光传输系统中存在各种各样的传输损伤因素，引起信号波形的失真，使得表 示各个状态的数字信号发生混叠，导致接收错误。总体上，这些损伤可以分为两 类：噪声和失真。 噪声是一种随机的、无界的干扰，我们的系统可以通过统计平均的方法消除 7 信道中带来的a w g n ，而对于e d f a 产生的噪声，由于其发生强度满足定的 统计特性或具有统计特性，所以分析e d f a 噪声特性及其对我们系统的影响将是 重要的环节；失真是一种确定性的、有界的干扰，包括色度色散( c d ) 、偏振模 色散( p m d ) 、自相位调制( s p m ) 、互相位调制( x p m ) 、四波混频( f w m ) 、 受激拉曼散射( s r s ) 等。 在这里，我们先行考虑单信道存在的c d 和p m d 线性损伤对系统性能的影 响与补偿1 7 l 。 ( 1 ) 色度色散是由波导色散和材料色散引起的，在频域，c d 可以表示为 、 h c o ( t o ) 一e x p 一j 寺f 1 2 l ( w 心) 2 + 屈三 一心) 式( 2 9 ) 其中，l 是光纤传输长度，啦是发射光载波频率，反是群速度色散系数，晟是 三阶色散系数。群速度色散系数房和光纤色散参数d 实际上是描述同一事物的 两种方法：前者是频率域定义，多用于理论研究；而后者在波长域定义，多用于 工程计算，它们满足：反；一似2 2 万c ) o 。在实际应用中，除了g 6 5 3 光纤( d s f ) 外，工作于反常色散区的光纤均满足群速度色散长度k 胁小于三阶色散长度 l 瑚，即l 6 四 2 s a m p l e s y m b o l 。根据乃奎斯特抽样定理，当抽样频率满足不小于信号最 高频率的2 倍时，采样后的信号可以被正确恢复出来，而不产生混叠现象。所以， 该系统以5 0 s a m p l e s 的速率对2 5 g s y m b o l s 的信号进行采样，将得到 2 s a m p l e s y m b o l 的样值。这也是大多数文献【9 j 【1 0 1 采用的方法。 1 s a m p l e s y m b o l 。文献i l l j 提到，通常t 间隔的f i r 滤波器不能补偿大量 的c d 。但是，如果在接收端a d c 采样前使用一合适的低通滤波器作为一反混 叠滤波器，实现去除混叠信号和提高均衡器效率。那么通过1 s a m p l e s y m b o l 的 采样，将可以达到比较理想的结果。同时，均衡器必须去补偿由l p f 造成的损 伤和信道的影响。 2 2d s p 模块算法介绍 通过光电探测器后，我们得到了两路偏振光的电信号，后续处理就是送进 d s p 模块进行数字信号处理，进而恢复出原始数字信号。其结构框图如下所示： 1 0 ， ， 乏2 朱咂蛩懂野幂旧 旦一拿l 爸卜 1 兰型h 竺监! l q 蕊h ：= = ：l ：e q u a l i z a t i o n 离散数字信号召 w i t hp o l a r i z a t i o n ， i d e 删i t i p l e x i n g tf 扛q y墨妒咂习懂郅躯 图2 3d s p 模块结构图 2 2 1 数字时钟同步算法 数字时钟恢复的目的是：由于a d c 的采样时钟( z ) 是独立于符号时钟( t ) 的，所以必须利用插值滤波器调整接收机的符号取样时刻，使调整后的接收机采 样时钟( z ) 与发射符号时钟同步( t ) 。 通过查阅相关文献资料，数字时钟恢复算法是一种比较成熟的技术，其主要 算法是利用插值滤波器实现的。利用开环结构的数字接收机的符号时钟同步算法 来调整采样时刻，使其输出与发送符号时钟同步的采样信号。通过同步后的两路 信号为x ，( 七王) 和x q ( 七互) ，合成一路复信号，可得： 。 x ( k t , ) = x ，( 魍) + j x 口( 七巧) = 啊l ( 七z k t ) e x p j a w k t f + 或】) 【e x p ( 加2 ) c o s ( j r x , t ) + c o s ( x x 2 t ) 】 式( 2 1 9 ) 2 2 2 均衡及偏振解复用算法 均衡和偏振解复用的目的是：由于信道的非理想性，信号在光纤链路传输中 必然受到信道的影响而造成损伤。这种影响主要是来自光纤c d 和一阶p m d 的 线性损伤，而要处理这种损伤，就必须使用自适应的均衡技术。同时，因为系统 采用偏振复用的调制方式，各偏振信号在传输过程中将产生一定程度的偏转，并 造成对另一个偏振信号的干扰，要抵消这种干扰，就应该使用一定结构的滤波器 实现偏振解复用功能。 目前实现偏振复用系统信号均衡的滤波器结构主要有以下两种： 四个蝶形结构f i r 滤波器f 1 2 】。由于p m d 的作用，接收端的两偏振信号 都相对于发送偏振信号有一定程度的偏转，要保证各偏振信号的正确解调，就必 须利用具蝶形结构的滤波器，实现对传输信道损伤的均衡和对偏振光相互作用的 补偿。 具有固定系数的c d 补偿器和蝶形结构滤波器l l 引。具固定抽头系数的c d 补偿器一方面可以均衡信道存在的大量c d 损伤，另一方面可以简化后面蝶形结 构滤波器的结构，使其抽头系数进一步减少，降低由算法带来的复杂度。 具有固定系数的c d 补偿器只是先行对由色散引起的损伤进行补偿，而后续 处理还是要应用蝶形滤波器进行p m d 均衡和偏振解复用，所以，从原理上讲， 蝶形结构滤波器是必不可少的。下面，我们就重点分析这种蝶形结构的滤波器。 设均衡器的冲激响应为j l 。o ) ，其是具有蝶形结构的四个f i r 滤波器。由于 信道的时变特性，所以必须采用自适应均衡器，通过四个蝶形结构的滤波器可以 同时实现均衡和偏振解复用的功能，其自适应算法为c m a ( 详见第三章：相干 光接收机电域均衡算法) 。设计其为具有信道的逆特性，即v h 其中，a c p 表示接收信号与本振的频偏相位，o 表示本振与接收信号问的相位损 伤，嚷表示信号调制相位，在理想情况下，侠；协4 ，3 ；r 4 ，5 - 7 r 4 ，7 ；r 4 。 2 2 3 频侗与相偏补1 尝算法 频偏估计的目的是：光相干接收机中由于未对本振进行反馈控制，其将产生 一接收信号与本地振荡源的频偏，要实现对信号的正确解调，就必须应用频偏估 计的方法去除这个频偏的影响。一般的，频偏估计算法采用预判决法或四次方法， 预判决法其主要思想是根据前一个输入符号的频偏估计来对当f j i 符号做一个预 判决，然后根据预判决的结果得到的频偏与前一个输入符号的频偏一起得到当前 符号的频偏估计。最后再从当前输入符号中减去频偏估值以去除频偏。下面对均 衡后的信号k 进行频偏估计。 k 型e x p 儿 幽j a 足。p 臻带伙 舭- 2 1 ) 一 + 幺+ 位】 一 其中，驴，蝎表示本振与接收信号的频偏，包= 吮一九d 表示本振与接收信 号间的相位损伤，统表示信号调制相位。通过频偏估计算法，我们可以消除妒 的干扰。 相位估计的目的是：去除接收信号与本地振荡源之间相位差。相位估计算法 一般采用v i t e r b i v i t e r b i 算法，其主要思想是先去除相位调制信息，得到以，由 于在n 个符号范围内吃可近似视作常数，所以可将n 个符号的包作为一组进行 算术平均操作以消除噪声的影响，得到的相位误差估计值反可被这n 个符号所 1 2 ， 公用。对频偏恢复的信号攻；e x p j o , + g 】 进行相位估计，就可以 损伤见的估计，进而恢复出信号调制相位见。根据信号调制相位位 可得到原始发送的数字信号，表示为( = 0 0 ，0 1 ，1 0 ，1 1 ) 。 1 3 第三章相干光接收机电域均衡算法