光MAMSK相干检测系统综述模板

光MAMSK相干检测系统综述摘要:随着人们对信息传输速率需求的不断提高,致使光纤通信向大容量、超高速、超长跨距这一方向发展。由于传输速率的提高,距离的增大,光纤信道中的色散、非线性效应等对信号的影响也愈加严重。采用新型的光调制技术可以有效增强系统对这些传输损伤的抑制能力。因此新型的光调制技术也就成为光纤通信的研究关键。目前在OOK调制格式方面已经做了许多研究工作，例如DPSK、DQPSK以及CPFSK。然而仍然存在改进这些调制格式传输性能的需要。像RZ-DPSK这样的先进格式在长距离传输方面显示出良好的性能1，但是和RZ-DPSK相比,最小频移键控(MSK)有较大的色散容忍度和更强的鲁棒性来抵抗由紧密光学滤波器引起的符号干扰(lSI)效应的额外优势。事实上MSK具有包络恒定、相位连续,更窄的功率谱和低旁瓣等特性2，这些特性使它在高速度和高频谱效率的系统中成为更可取的数据格式。尤其在其他有线和无线通信系统中，MSK早已是广为人知的调制格式，而在光通信系统中的研究直到最近几年才开始得到关注。近来报道了一些针对光MSK系统的研究，有的是驱动方式的不同5,6，有的是调制结构的不同7-12，不同的光发送机配置和电驱动会导致多电平光调制信号的不同特征，一些文章对这些不同方案进行了分析和比较13,14。国内外的一些研究团队已经通过外部调制器来产生光MSK信号，信号的解调一般使用干涉的方法；关于MSK信号的相干检测的实验研究文献报道还不多，所以目前关于MSK的研究工作还有限。 另外随着带宽需求的不断增长，多维多阶调制格式成为目前研究的热点，为了更进一步增大系统容量，降低成本，实现高速大容量光信号的长距离传输，对于多维多阶调制格式的高频谱效率传输技术的研究势在必行。现今，对高速大容量多维多阶调制格式的光传输的研究已进入了比较成熟的阶段，国际国内光通信的研究组织已做了不少的实验。作为高效的调制方式，8PSK(阶相移键控)、QAM(阶正交调幅)以及16QAM(阶正交调幅)都是实现高速大容量传输的不错选择。但受限于现有光电器件的水平，现已证实的多维多阶调制格式基本都是基于级联方式实现的。本文在已有的光MSK调制格式的基础上提出了一种新型的MAMSK调制格式,这种新型的MAMSK调制格式采用相位调制结合多幅度调制的方法,同时在信号的相位和幅度上调制信息,达到降低码速的目的。关键字: 高速光纤通信 最小移频键控 多幅度最小移频键控 相干检测 1前言近年来，高级调制格式得到了广泛关注，它们在高密度长距离传输系统中的应用表现出了诸多优势。含载波的归零（RZ）码和NRZ码，或是载波抑制的RZ码（CS-RZ）可与幅度（ASK）、相位（PSK）和差分相位（DPSK、DQPSK）等键控技术结合。连续相位调制CPM也是另外一种形式的相移键控，在这种调制方式中当光信号从一个相位状态变化到另一个相位状态时，载波的相位是连续变化的。对于最小频移键控（MSK），相位的变化被限制在/2。尽管在无线数字通信中，MSK早已是广为人知的调制格式，但它在光通信系统中的研究直到最近几年才开始得到关注。MSK中的相位连续演化具有很多有趣的特点：其功率谱的主瓣比正交相移键控（QPSK）和DPSK要宽，但其旁瓣却要低得多，这使得光滤波更为容易，因此由于色散而导致的畸变要小一些。此外，集中在MSK频谱的主瓣中的能量比旁瓣多，因此在接受机处可获得更高的信噪比。最小频移键控(MSK)作为一种特殊的连续相位调制(CPM)信号，具有相位连续、频谱利用率高、包络恒定、边带衰弱快16等优点，这些良好的特性使得MSK被广泛应用于蓝牙、移动通信系统等商业和军用无线通信系统中。此外，MSK信号波形具有很低的峰均功率比(PAPR)，对非线性失真不敏感，因而信号放大时可以采用廉价低功耗非线性放大器。现在光MSK调制信号现在可以通过集成了马赫曾德调制器的I-Q调制器产生17。为了适应光信号的高速传输，也有研究者们进行了改进MSK信号的传输18。复旦大学将MSK调制引入到相干光检测技术中，进行了大量相干光MSK系统的研究19,20。2010年，复旦大学的张自然等提出了对于光MSK信号的一种频偏估计方法来消除相位噪声21。在2012年，复旦大学的陶理、迟楠等提出了基于串行最小频移键控的8进制调制的研究，用串行结构实现了光MSK信号的调制22。北京邮电大学通过实验实现了恒包络MSK的OFDM相干光传输系统，将MSK调制引入到OFDM相干光通信系统中23，并将MSK与多电平调制方案相结合搭建了MAMSK-OFDM直接检测系统25。Thomas等则发表了相关论文，提出了建立偏振复用连续相位调制相干光系统的设想24。但是总的来说，将MSK调制引入到相干光通信中来的研究处于刚刚起步的阶段，要建立完整高效的相干光MSK系统还有许多关键问题需要解决。20世纪90年代末以来，由于光电器件发展逐渐成熟，高速数字信号处理的发展以及大量关键技术被突破，人们开始了小型化、高速化的数字相干光通信系统研究。在2002年，R.A.Griffin等通过实验建立了10Gbit/s高速DQPSK相干光纤通信系统35。在2003年M.G.Taylor等通过实验建立了10Gbit/sDPSK数字相干检测的系统18，这些相干光通信系统的建立标志着相干光通信技术已经成为了现代通信研究的重点。从2005年开始，关于相干光通信技术每年都有许多高水平的文章发表，比如正交频分复用(OFDM)和偏振差分四相移相键控(PM-DQPSK)等关于高级调制信号的研究、相干光接收机的研究和相干光通信中一些关键技术的研究等等。近年来，国内的许多高校已经开始研究相干光通信，已经完成了数字相干光检测实验平台的搭建。北京邮电大学主要进行了光OFDM通信技术的研究，其接收部分大都使用了相干检测技术。而在2012年，湖南大学微纳光电器件及应用教育部重点实验室实现了40Gbit/s偏振复用QPSK相干光数字通信系统传输实验。但是总的来说国内关于相干光通信技术的研究才刚刚起步不久，现在主要的研究方式是建立数字相干光通信系统实验平台，在其中对光相干检测技术、DSP技术、以及先进光传输技术进行研究。目前，关于光MSK领域的研究工作还很有限，与其他调制格式相比，MSK所具有的一些特点推动着科研工作者不断地研究它在大容量长距离光纤通信中的适用性。此外，MSK功率谱的旁瓣在很大程度上被抑制，这使得它具有很好的抗色散和抗信道间串扰的能力。因此，将多进制MSK调制格式与相干光结合起来，可以进一步提高系统的性能和频谱利用率。这种结合也将是未来光通信中研究的热点。2光MSK信号的调制解调原理2.1MSK信号的基本原理及特点2.1.1MSK信号的基本原理MSK信号属于FSK信号，又是一种相位连续的FSK信号，它是CPFSK信号的一种特例。MSK信号的数学表达式为:(2.1)其中是载波角频率，是码元的持续时间，是码元的宽度，在MSK信号中有，而是符号的相位常数，其在中是保持不变的，表示传输的第个符号的信息，取值范围为，而式中为MSK信号的附加相位函数，它是通过用积累的总相位减去随着时间增长的载波相位得到的。首先看MSK信号对载波的约束关系。通过式（2.1）可知，当时，可以用频率为的信号表示：(2.2)而当时，用频率为的信号表示： (2.3)因此可知两个频率和的间隔为： (2.4)然后分析式（2.1）中的附加相位函数。 (2.5)通过观察可以发现式（2.5）是一个直线方程，其中为方程的斜率，而截距为。由于式中的取值范围是，所以在每个码元周期段内都为直线，另外由于的取值只能为，所以在整个时间轴上可以表示成一个分段函数。而每经过一个码元周期的变化总量总是，即当时，在一个码元周期内增大；当时，在一个码元周期内减小。在式（2.14）中的与信号都是时间的连续函数，这就导致的频谱密度相比较于一般的离散信号下降的速度更快。所以MSK信号只会在带外产生非常小的干扰，这也是MSK信号的优点之一。最后再研究（2.1）中的相位常数，由于表示的是信号中第个符号的相位，因此它在每个符号周期时间段里都取不同的值。而MSK信号是一种连续相位的信号，所以从波形上看信号应该是连续的且没有间断点的。而相位常数的选择就应该保证信号的相位在每个码元转换的时间点上是连续的，即 (2.6)则通过上式可以得到相位的递归条件如下：(2.7)式（2.6）说明在MSK调制信号中，不仅与有关，也与及有关。这就是说，前后两个码元之间存在相关性或者连续性。其中“连续”是指在码元（即范围为）内，其起始相位要等于前一个码元的终止相位（即时信号的相位）。在一个码元间隔内，虽然信号的相位相对于载波的相位差只变化了，但是在这个码元内，相对于载波的实际相位却能够是千变万化的，因为这和它之前已经发送过的码流有关。设输入的数据流为若将绘成曲线时，则得到如图2.2的曲线。它是表示以载波相位为基础，MSK波形的相位可能的取值随着时间变化的路径，这个路径就叫做MSK信号的相位路径通过图2.3可以看出：1、当时间t是符号周期的奇数倍时，即，总是的奇数倍。而当时间t是符号周期的偶数倍时，即，则总是的偶数倍。由于余弦函数总是以为模的，所以在时，取值为。当时，取值为0或。2、在一个码元周期内，函数的截距不是0就是的整数倍。同样，余弦函数是以为模，因此的取值只有0或。图2.1MSK附加相位函数的波形 图2.2MSK附加相位网络路径 由（2.1）可得出MSK的正交表示形式： （2.8） 由（2.8）表示可知，此MSK信号可以分解为相同分量I和正交分量Q两部分。关于MSK信号的调制原理一般是将它看成是具有正/余弦函数加权的同相和正交支路信号合成的结果。2.1.2MSK信号的功率谱MSK调制信号的功率谱密度为： (2.9)式中是载波信号的振幅，是中心载波频率，而是码元的宽度。图2.4是MSK信号与BPSK信号的频谱图比较，从图中可以看出，在同样情况下，与其他PSK信号相比MSK信号具有以下优势：1、MSK信号的旁瓣滚降速度将对于BPSK来说更快，随着远离中心频率，BPSK的频率是以的规律下降，而MSK信号的频率则是以的规律下降。MSK信号的第一旁瓣比主瓣峰值大约低23dB，因此其信号能量主要集中在较低频率处。若把信号的能量集中作为标准，则MSK信号的能量集中在频带宽度约为的范围内。2、MSK信号的功率谱非常紧凑，从图中可以看出它的功率谱图第一个零点在处，而BPSK功率谱图的第一个零点则在处，这很直观地说明了MSK信号功率谱的主瓣相对于BPSK信号来说所占的频带宽度更窄；而在旁瓣上，MSK信号功率谱下降速度更加快。这也就说明MSK信号功率谱很紧凑，其信号的功率主要都集中在主瓣内。因此，MSK调制方式占用的频带更加少，可以很好的起到节约频带资源的作用，同时它对相邻信道的干扰也很小。图2.3MSK和BPSK信号的功率谱2.1.3MSK信号的特点由以上数学推导可以得出，MSK信号具有以下特点：1、MSK信号是正交信号，具有恒定包络，可以使用非线性幅度饱和器件进行放大。2、MSK信号瞬时频率总是两个值之一，其频率偏移严格地等于，相应的调制指数为0.5。3、在码元转换的瞬间，信号的相位是连续的，信号的波形没有突变。4、MSK信号的频谱的主瓣比较窄，旁瓣滚降速度较快，有99%的能量集中在的带宽内，因此可通过带宽较窄的带通滤波器。5、把载波相位作为基准，MSK信号的相位在一个码元周期内线性变化。6、任何一个码元周期内，信号中都含有四分之一个载波周期的整数倍。2.2光MSK调制信号的产生 尽管在无线数字通信中，MSK早已是广为人知的调制格式，但它在光通信系统中的研究直到最近几年才开始得到关注。目前国内外对光MSK研究还很有限，与其他调制格式相比，MSK所具有的一些特点推动着科研工作者不断地研究它在大容量长距离通信中的适用性最近，最近，部分文献报道了几种产生光MSK调制格式的发射机配置方案，其中文献8，10，18报道了通过使用四个子MZM集成的MZM-IQ调制器产生光MSK信号，文献7使用并行I-QMZIM产生光MSK信号的光发送机，文献36提出了采用两个级联光相位调制器产生光MSK信号，以上都是通过并行方式产生光MSK信号，而文献12提出了一种新型的基于串行结构的最小频移键控的调制方式产生光MSK信号。下面将对文献中已报道的光MSK发射机结构和原理作详细的介绍。2.2.1采用单片集成的正交马赫增德尔调制器的MSK光发送机图2.1集成的正交马赫增德尔调制器的MSK光发送机结构图 这种集成的调制器由四个子MZM嵌入到大型的MZ结构里面55，在每个分支中，由两个子MZM嵌入串联。由正交叠加的两个低速(B/2)载波抑制归零(CSRZ)的差分相移键控数据流产生一个比特率为B的光MSK信号9。首先每个分支的第一个子MZM，即MZM1和MZM3被频率为1/4Tb的射频时钟信号驱动，并且在偏置点为传输零点处生成CSRZ脉冲。比特率为B/2的Data1和Data2分别用来驱动MZM2和MZM4。其中两路数据流的相对偏移量为1/B，使用正交的MZMI-Q调制器在每个分支中产生独立的CSRZ-DPSK数据流，I或者Q，通过调整MZ的直流偏置点来改变两个分支之间的相对相位差。经过调制器之后，两路相互独立的比特率为B/2的CSRZ-DPSK数据通过1比特的延时和/2的相位差进行耦合，从而产生比特率为B的光MSK信号。2.2.2基于SMSK调制的八进制信号发送机图2.5基于串行MSK调制的八进制信号发送机结构图这里提出的SMSK信号发射机的主要特点是将MZDI应用到发射机端，利用MZDI延时干涉的特性使得能够利用串行结构产生SMSK信号。从激光器发出的光经过由射频源驱动的MZM1调制产生CSRZ信号，传输的比特信息通过MZM2加载到CSRZ信号的相移，两路光在MZDI输出端进行耦合，最后产生SMSK信号。为了进一步利用信号频带，提高调制的频谱效率，因而将对SMSK信号再进行多维多阶调制。将在该基于串行结构的SMSK信号上进行2阶幅度调制，产生的连续相位调制信号耦合进入第三个MZM，并利用一个四电平的电信号驱动MZM3。2.2.3采用并行I-QMZM的MSK光发送机图2.6并行I-QMZM调制器的MSK光发送机结构图 首先MZM1是用来生成CSRZ脉冲的，CSRZ脉冲生成正弦加权值来实现后面的OQPSK信号调制，MZM1被频率为1/4Tb的射频时钟信号驱动，并且在偏置点为传输零点。然后将这个CSRZ脉冲送到第二个调制器（即OQPSK调制器），它有两个并行的MZM构成。上臂有一个比特的延迟和一个MZM(MZM2),而下臂还有另一个MZM(MZM3)和移相器,使两臂有一个90相位差。两MZM2和MZM3的偏置点都是传输零点,它们是分别被偶数位数据流和奇数位数据流驱动,且驱动电压为2V。2.3光MSK调制信号的接收2.3.3MSK的非相干检测非相干检测即对光电二极管输入端的光波信号功率包络进行直接检测，没有将收到的信号与本振光进行混频。非相干检测不会遇到相干接收机方案的许多问题，比如相位噪声和相干激光源的非零线宽等问题。1)光平衡接收机图2.7用于光MSK检测的MZDI光平衡接收机配置 光平衡接收机运用了电-光马赫曾德尔延迟干涉仪（MZDI），它是一个不对称的干涉仪，其中一臂长于另一臂，一臂引入了一个1比特的周期延迟。为了将光信号差分编码相位进行转换，平衡接收机是必需的。因为使用推挽式背靠背光电检测器连接，这种检测方案比使用单光电检测器进行的直接检测的性能提升了3dB39-41。在光MSK信号检测中，首先将光波分束到延迟干涉仪的两臂中（一臂延迟一个符号周期，另一臂引入一个额外的/2相移），如图6所示，这种常数相移可以位于任意一臂中，不会影响接收机的性能，然后将两束光通过一个光耦合器进行重新组合。2)光域鉴频接收机的设计上个世纪90年代早期对应用鉴频原理的光MSK调制信号的检测进行了研究。使用这种方法可以很容易地实现连续相位频移键控（CPFSK）和MSK光波信号的检测42。当时这种检测主要是基于相干检测，用于区分两个基本调制频率的滤波器对时电滤波器，其主要原因是缺少带宽足够窄的光滤波器对光CPFSK和MSK信号进行相干检测。随着滤波器设计和制造技术的发展，特别是微环谐振滤波器的发展，现代光滤波器3dB带宽可以缩小到约2GHz43。这种光滤波器的出现，使得在光域进行鉴频以实现光MSK信号的非相干检测成为可能44。2.3.3MSK的相干解调为了进一步增加容量和传输距离，新的传输和检测技术变得越来越重要。目前广泛上演的光通信系统采用的是强度调制/直接检测(IM/DD)方式。其结构简单，但接收灵敏度低、频率选择性差。而相干光通信是光传输网升级换代的一种理想选择。相干光通信系统与IM/DD系统相比有如下优势45：(1)信息能调制到光相位上，从而将IM/DD的一个幅度调制扩展为幅度和相位调制，传输容量可以倍增。如采用16QAM等多进制的格式，其但波长通信容量亦可大幅度提升45,46。(2)相干检测的灵敏度比IM/DD方式高3dB，光直流分量并不参与到光信号的传输中，因此同样功率情况下，其光纤中继距离能显著增长。(3)相干光通信系统具有更高的频率选择性，使DWDM系统容纳更多更密集的通道、连接更多的用户，这种性能在接入网中特别重要。(4)相干检测具有全信息特性，这一特性决定了相干检测能够补偿光纤传输中的多种损伤。正由于相干检测的各种优势，特别是具备补偿光传输中多种损伤的能力，相干光研究曾活跃于上世纪九十年代。然后，由于缺乏相应的高速数字信号处理芯片的支持，该项技术在上世纪九十年代中后期进入低谷期。随着先进数字信号处理(DSP)技术、微电子技术(特别是高速的模数转换技术47)的发展，相干光数字接收机所赖以发展的技术条件已经成熟。它结合了相干光检测与DSP技术，将复杂的色散补偿48、偏振跟踪49、频率锁定等转移到电域中，以消除光信道和光学器件的非理想特性对信号的损伤，已经成为目前业界普遍承认的下一代传输网技术。基于DSP的相干光检测技术，近年来各国的研究者完成了一系列高速率、大容量的相干光通信实验。其中较为突出的实验结果包括：2009年的OFC会议上报道，C.Schmidi-Langhorst等人结合相干光检测与时分复用，使单波长容量达到5.1Tbit/s50；2009年的ECOC会议上报道，M.Salsi等人实现了155100Gbit/s的偏振复用QPSK信号传输7200km，容量距离达112Pbitkm/s51；2010年的OFC会议上报道，周翔、余建军等人实现了12.5GHz间隔的640107Gbit/s的DWDM传输，信号的调制格式为36QAM，实验结果刷新了当时最大容量的传输记录(64Tbit/s)52。在短短的几年中，相干光通信及基于DSP的相干光检测技术发展迅速，光纤传输容量等指标达到了前所未有的高度，现在一些更加经济有效的相干检测技术应用已被提出53,54。虽然国内外对相干光的研究已经取得了很多成果，但是在追求大容量高速率的同时，目前对相干光系统的信道模型，信号传输损伤机理及客服损伤的高效DSP算法还没有深入的进行研究，这将成为制约相干光通信系统传输速率的瓶颈。国内外的一些团队已经通过外部调制器来产生光MSK信号，信号的解调一般是利用延时干涉的方法，关于光MSK信号的相干检测的实验研究文献报道还不多。3光MAMSK相干系统的研究3.1光MAMSK相干系统概述总体来说，将MSK调制格式应用到光通信上来能够提高光纤传输系统的效率与潜能，这主要是因为其频谱更窄，旁瓣滚降速度更快的优良频谱特性。对于光放大的通信系统，如果将多电平的概念与上述所提出的方案结合，则可以降低符号速率，进而可提高带宽效率。目前对MAMSK相干检测的研究还非常有限。本章利用MATLAB与Optisystem软件进行联合仿真来搭建一个速率为40Gb/s相干光MAMSK系统。MAMSK可以看成是多个不同幅度光MSK信号的叠加，这里我们做的是二幅度MSK，即BAMSK,这种调制方法可以提高带宽效率，因为其中每个符号同时携带两比特信息，充分利用了MSK调制格式的窄频谱特性。图3.1所示为BAMSK调制信号的新作图，表1给出了BAMSK格式数据信息的映射方法图3.1 BAMSK信号星座图 表1 BAMSK格式的数据映射ab 信号星座图的注释11幅度不变，相位增加1-1幅度不变，相位减小-11幅度改变，相位增加-1-1幅度改变，相位减小3.2产生方案任何已报道的光MSK发送机配置均可以用于产生MAMSK信号。图3.3所示为光BAMSK相干检测系统。首先在电域内实现MAMSK基带电信号，再将基带电信号通过一个由两个马赫曾德调制器(MachZehnderModulator,MZM)组成的I-Q调制器调制到光载波上，然后再将调制好的光MAMSK信号送入单模光纤进行传输。输入光MSK发送机的光强度比例至关重要，因为它用于控制发送信号的幅度。这里我们在电域设置的幅度比例为0.25/0.75。整个MAMSK相干光传输图如下:图3.2 MAMSK相干光传输图发送信号经过4个72km光纤跨段其中40km光纤色散系数为16ps/(nmkm),32km光纤的色散系数为-20ps/(nmkm)，色散和色散斜率实现了完全补偿和放大器构成的单信道传输系统。图3.3所示为BAMSK信号经过光纤补偿后接受的信号星座图图3.3 BAMSK相干光传输图4结论本文分析了MSK信号的基本特点和调制原理，讨论了信号的频谱特性与一般的离散相位调制比较的优势。其次介绍了目前关于光MSK的几种调制方法，然后提出多幅度MSK调制方法,并且利用MATLAB与Optisystem软件进行联合仿真搭建了一个速率为40Gb/s的相干光MAMSK系统，主要包括了前端基带MAMSK电信号调制模块，MAMSK信号光调制模块和相干光接收机模块。二、未来工作的展望：在光通信中，相干光通信是在上世纪九十年代就被提出的先进技术，但是直到近年来随着先进数字信号处理技术的发展才重新受到人们的重视，成为下一代传输网的关键技术。而由于MSK信号的恒包络特性与优秀的功率谱密度的特性，在光通信领域中越来越受到人们的重视，因此将MSK调制引入到相干光系统中来成为近年来研究者们的研究重心。本文主要研究的是相干光MAMSK系统，但是对于MAMSK相干光系统中其他信号处理技术还有很多问题亟待解决，如位均衡和长距离传输等等。关于MAMSK信号的研究还只是停留在一个起步的阶段，这是因为MSK信号是一种连续相位调制方式，属于非线性调制，对相位的变化要求很严格，因而对相位噪声非常敏感。所以在相干光MAMSK系统中，如何解决各种相位噪声对MSK信号造成的影响是一项需要解决的关键问题。参考文献1 G. 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