文爱军老师-光编码调制基础研究.pptVIP

光编码光调制研究工作体会 文爱军2010 1 14 摘要 光信道编码光调制格式光OFDM调制光纤毫米波调制光调制器件 摘要 光信道编码光调制格式光OFDM调制光纤毫米波调制光调制器件 光传输信道编码 前向纠错 FEC 方法应用在高速光通信中 能够延长光信号的传输距离 降低光发射机发射功率 最早在超长距离的海底光缆系统中得到应用 随着陆地光通信系统的发展 单信道速率不断提升 复用信道数目变大 差错控制技术成为必不可少的一部分 由于光纤通信系统高速率 高效率的要求 检错重传方式几乎是不可能的 因此 在光通信系统中为了实现差错控制一般需要采用前向纠错技术 FEC不会过多地加大系统成本 但却可明显地改善光通信系统的误码率性能 降低设备要求容限和系列成本 提高系统通信的可靠性 光传输信道编码 加入FEC的光传输系统示例 电域的很多性能较好的码在光通信中不能取得理想效果 主要由于光线信道的一些特性 比如 信息速率高 100Gb s 非线性 自相位调制 布里渊散射 四波混频效应 色散 偏振模色散 频率色散 具有上述特点的光纤信道和一般高斯信道各自容量对比如下图所示 光传输信道编码 传统AWGN信道容量特性 测试的光纤信道容量特性 光传输信道编码 光信号在光纤中的演化满足如下的非线性薛定谔方程 想要建立准确的光纤信道模型 则必须求解薛定谔方程 对于一般形式的薛定谔方程 求解它是非常困难的 目前现有的做法都是对信道模型进行简化 比如说考虑无色散的情况 或者将非线性近似为乘性噪声等等 其中 表示光信号 表示噪声衰减 表示色散 表示科尔非线性 光传输信道编码 不同于传统电通信 在光纤通信中 所关心的误码率在范围的数量级 因此需要采用误码平层很小的编码方式 在衡量标准上 光纤通信中习惯用Q值表示电通信中的信噪比的概念 同时 在衡量编码增益的时候需要考虑码率的影响 由于光通信中很高的信息速率 在电域完成编码的时候必须得要先分成n路分别编码后再合路后进行传输 同时对电域的编码速率要求非常高 因此必须要采用复杂度很低的编码算法 现有的和研究较多的光传输信道编码 RS码 编译码算法简单 硬件实现速度快 性能稍差 Turbo码 性能良好 逼近香农限 译码复杂度高 LDPC码 性能良好 逼近香农限 译码算法简单 编码复杂度稍高 我们需要研究并分析现有的信道编码方式和新型信道编码方式在光纤通信系统中的性能 以及与各种调制方式结合后的性能 提出适合于高速光纤通信系统的信道编码方案 要有逼近香农限的良好性能 很低的差错平层 并且编码和译码算法的复杂度要尽量的低 光传输信道编码 现有光传输信道编码标准主要采用RS码和BCH码 我们研究并分析现有的信道编码方式和新型信道编码方式在光纤通信系统中的性能 以及与各种调制方式结合后的性能 提出适合于高速光纤通信系统的信道编码方案 OTU4目前有两种方案 采用130Gbps的速率承载3个ODU3 或者采用112Gbps的速率承载100G以太网 FEC开销小于7 光传输信道编码 按照ITU T的规定 ODU1 ODU2和ODU3具体结构和误码要求都已有既定标准 端到端的误块率 块的大小是4 3824 8 122368比特 其中只要有一个误码 就算误块 要求为 ODU1是 ODU2是 ODU3是 ODU4的误块率要求为 即误码率要求大约为 我们将重点研究适合于OTU4的前向纠错方案 并提交相应的国际标准提案 重点研究LDPC码 即低密度奇偶校验码 LowDensityParityCheckCode LDPC 不仅有逼近Shannon限的良好性能 而且译码复杂度较低 结构灵活 是近年信道编码领域的研究热点 它的性能优于其他码型 且具有较大灵活性和较低的差错平层特性 errorfloors 而且描述简单 对严格的理论分析具有可验证性 同时译码复杂度低 还可实现完全的并行操作 硬件复杂度低 适合硬件实现 吞吐量大 极具高速译码潜力 光传输信道编码 研究方向 寻找性能优译码简单的信道码如 a 准循环LDPC码b 不规则LDPC码降低超长距离光纤信道可靠传输的误码率 a 选择合适的星座点 ConstellationDesign b 优化编码调制方案 CodedModulation c 选择合适的传输波形 shaping d 均衡技术 光传输信道编码 摘要 光信道编码光调制格式光OFDM调制光纤毫米波调制光调制器件 考虑光信号的电场一般表达式如下图所示 电场的参量包括振幅A 频率 0 相位 和偏振方向e 光调制格式 由此相对应的 调制振幅可以得到ASK信号 调制频率则产生FSK信号 调制相位产生PSK或DPSK信号 调制偏振方向产生POLSK信号 另外 结合两种相对独立的调制方式可形成如幅度相位联合调制 偏振相位联合调制的正交调制 光调制格式 10Gbit s和10Gbit s以下的低速率系统 传输损伤的影响并不严重传统的NRZ信号能够满足目前系统的需要当速率提高到40Gbit s甚至100Gbit s时 非线性和色散的影响将变得很严重NRZ调制信号已不能满足需要各种新型调制格式 多进制光调制 应运而生 多进制光调制不仅可以抑制传输损伤而且只需要在光传输系统的发射端和接收端更换相应的设备 不需要对已有的传输线路作很大的改动 有利于降低系统的升级成本 多进制调制是当前光传输领域研究的热点 它在提高频谱利用率和抑制各种传输损伤方面有明显优势 目前研究的多进制调制主要包括单纯的多进制相位调制 如8DPSK 以及幅度相位联合 偏振相位联合的正交调制 研究热点集中在幅度相位联合调制的ASK DQPSK IRZ DQPSK以及偏振复用相位调制的PM QPSK 多进制光调制 D8PSK调制格式发射机 优点 每一个差分相位代表三比特信息 频谱效率提高 缺点 星座距离近 接收机复杂 系统成本大 接收机 多进制光调制 ASK DQPSK调制格式发射机 接收机 优点 充分利用星座间距 接收机结构简化 降低成本 缺点 ASK信号的消光比非线性影响相位支路性能 多进制光调制 IRZ DQPSK调制格式发射机 接收机 优点 占空比可调 相位联续 逻辑简单 抗非线性能力强 多进制光调制 DP QPSK调制格式 多进制光调制 优点 能提供更高的频谱效率 更大的色散容忍度 接收机 发射机 摘要 光信道编码光调制格式光OFDM调制光纤毫米波调制光调制器件 全光OFDM 将OFDM技术用于光纤通信 由于每路子信道的速率相对较低 使得复用后的高速OFDM信号对色度色散 CD 和偏振模色散 PMD 容忍性大大提高 又因为各个子信道相互正交 相比于WDM不需要设置频带保护间隔 如图所示 在有限的频带内其可以提供很高的频带利用率 全光OFDM 全光OFDM调制解调发射机 接收机 全光解复用 光DFT 全光OFDM调制 两路正交 全光OFDM解复用 两路正交 全光OFDM研究方向 1 全光OFDM系统中的色散补偿和非线性抑制 2 全光正交频分复用中PAPR的抑制 3 全光OFDM系统中如何抑制相位噪声 偏振模噪声的影响 4 全光正交频分复用 解复用的可集成芯片的研究 5 光OFDM系统中光源的产生 摘要 光信道编码光调制格式光OFDM调制光纤毫米波调制光调制器件 在最近20年中 Internet业务量的飞速发展和人类通信方式的改变使用户对网络带宽的需求越来越大 为了满足用户的这种对带宽和业务的需求 许多光通信和无线通信技术已经逐渐被应用于接入网 接入网不断朝着融合的方向加速发展 宽带化 分组化 多样化和光纤化 宽带化 及多业务网络平台化无疑是接入网发展的大趋势 无线化和宽带化是当今通信业乃至整个信息业的热点 光载射频 ROF 系统是一种光纤和无线融合的物理层实现技术 该技术利用 利用光纤低损耗 超宽带以及抗电磁干扰等特性来传输宽带射频无线信号 是解决下一代超宽带无线接入的重要技术 光纤毫米波调制 系统构成ROF系统就是利用光纤代替大气来传输无线信号 典型的ROF系统一般由三部分组成 中兴站 CO 光纤链路和基站 BS 其系统框图如图1 1所示 由图可知 多个基站 BS 通过光纤与中心站 CO 相连接 光纤起传输作用 路由 交换和信号处理等都集中在中心节点 光纤毫米波调制 优点ROF技术集聚了光纤和高频电波两者的优点 其特点为 一 低损耗 采用具有低损耗特性的光纤作为传输媒质来传输毫米波信号 只需较小的功率就可以传输较远的距离 减少了系统的功率损耗 降低了系统成本 二 高带宽 光纤有很高的带宽 不考虑长距离传输损耗时 850nm 1310nm和1550nm这三个低损耗窗口的总带宽超过50THz 三 不受电磁干扰 毫米波信号是以光的形式在光线中传输 不受其他电磁信号的干扰 四 易安装和维护 ROF系统中 昂贵复杂的设备都集中在中心站 而数量较多的基站结构设备都十分简单 光纤毫米波调制 关键技术用光学的方法产生微波或毫米波信号是进来受到关注的研究课题 高质量的毫米波信号生成是实现ROF系统的关键技术之一 其技术大致分为 1 基于外部调制器的光生毫米波技术 2 基于双波长激光器的光生毫米波技术 3 基于不同激光器外差的光生毫米波技术 其中基于外部调制器的方案是一种相对成熟 代价地的技术 现有的调制技术主要有双边带 DSB 调制 单边带 SSB 和抑制载波双边带 OCS 调制 光纤毫米波调制 DSB调制技术在DSB调制系统中 基带信号主要调制到中心光载波和两个一阶边带上 生成频率为输入射频本振频率2倍的光毫米波信号 通过一段单模光纤 SMF 传输到接收端 经光电探测器 PD 拍频检测 再经过带通滤波 就可以产生电一个携带了基带信号 频率为的电毫米波信号 光纤毫米波调制 SSB调制技术在SSB调制系统中 基带信号主要调制到中心光载波和其中一个一阶边带上 生成频率为输入射频本振频率的光毫米波信号 通过一段单模光纤 SMF 传输到接收端 经光电探测器 PD 拍频检测 再经过带通滤波 产生一个电毫米波信号 光纤毫米波调制 OCS调制技术在OCS调制系统中 基带信号主要调制到两个一阶边带上 生成频率为输入射频本振频率2倍的光毫米波信号 通过一段单模光纤 SMF 传输到接收端 经光电探测器 PD 拍频检测 再经过带通滤波 产生一个电毫米波信号 光纤毫米波调制 采用多路单边带调制 在普通单边带调制的基础上稍加改动 实现一个光源和调制器同时传输二路或者多路单边带信号 进一步提高系统频谱利用率 成倍的增加系统的传输效率 光纤毫米波调制 提出新型双边带调制方案 避免周期性衰落 码元时移 同时承载两路射频信号 已经完成色散 非线性性能分析仿真 计划用实验验证方案优越性 光纤毫米波调制 研究光生毫米波的新方法 提出简单 灵活的8倍频毫米波生成方案 串联结构 不受在功率分配不均影响 不需要光学滤波器 功能灵活 2 4 6 8倍频研究各项设计参数变化对系统性能影响 通过仿真或实验验证 光纤毫米波调制 摘要 光信道编码光调制格式光OFDM调制光纤毫米波调制光调制器件 与CMOS工艺兼容尺寸小 易集成半径 几个到几十个微米波导宽度 几百个纳米易于光电混合集成适于光信号处理Si SiO2之间的折射率差很大周期线性高Q滤波效应环内能形成很强的内建场各种非线性效应阈值低 Si SiO2 450nm 250nm 光调制器件 硅基微环的结构和优点 硅基微环的线性特性 a 衰减系数 f 相移 t 直接耦合系数 r 交叉耦合系数 Y ChenandS Blair J OSAB 2125 2003 在环中绕一周相移位2kp的光将发生谐振 硅基微环的周期谐振特性 幅频特性 滤波 相频特性 延迟特性 Y ChenandS Blair J OSAB 2125 2003 l谐振 谐振特性漂移1 受热 L改变强光照射 ms 加热电极 ms 2 载流子 n改变强光照射 ns 外加电压 ps 3 Kerr n改变强光照射 光调制器 光调制器就是实现从电信号到光信号的转换的器件常用的光调制器有MZM调制器 PM调制器等等缺点 体积大 不易于集成 0 4 Gb s Q Xu etal Nature vol 435 May 2005 pp 325 327 基于光学微环的光调制器 缺点 耦合输入输出 工艺复杂 制备成本高 可集成耦合