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100G偏振复用正交调制光纤通信系统设计与实现

发布时间:2019-11-30 09:24

  摘 要

  随着近年来流量业务的高速增长,现有的光传输网络已不能满足需求,单信Gb/s及以上速率超高速长距离光传输系统是目前研究的热点。相比传统二进制启闭键控(OOK)调制技术,偏振复用正交调制(PDM-QPSK)技术可以提高四倍的传输速率。本文主要研究了单信道PDM-QPSK技术,并结合数字信号处理(DSP)的补偿技术提高性能,利用Optisystem软件搭建了完整的相干光纤通信系统模型,最终实现数据在光纤链路上以100 Gb/s 速率的可靠传输。本文首先介绍偏振复用和正交相移键控调制的基本原理,之后探讨了链路中不同损伤与串扰的成因,提出相应的数字信号理算法,即有限脉冲响应(FIR)数字滤波器的设计、恒模算法(CMA)、共轭M次方算法和M次方算法,以补偿链路损伤。最后利用Optisystem软件搭建模型并进行仿真,着重分析了算法中重要参数的影响。

  关键词:偏振复用;正交相移键控;相干光通信;数字信号处理算法

  前言

  由于光纤潜在的超大容量和光纤器件性能的持续提高,国内外学者一直致力于实现高速高性能低成本的光纤系统,实现过程中运用到了多种光纤通信技术,例如光时分复用(OTDM)、波分复用(WDM)、偏振复用(PDM)等多路复用技术,以及其中偏振复用技术存在于各个复用的基础上,并与先进的码元调制技术相结合,便能在单波上成倍增长传输容量。其中将偏振复用与正交相移键控调制相结合的技术,因其频带利用率高、抗干扰性强,成为了主流技术之一。近几年,国内已有学者实现了在1200km的光纤下成功传输速率高达614 Gb/s的PDM-QPSK信号传输,国外也有学者结合波分复用实现1Tb/s以上超大容量的传输。与此同时,随着数字信号处理技术的发展,使相干检测也再次成为了研究的热点。

  本课题主要研究通过PDM-QPSK技术实现数据以100 Gb/s速率传输的相干光通信系统。利用Optisystem软件进行光纤系统的框架搭建,主要有发送、传输、接收和数字信号处理模块。本文研究重点便是DSP内部具体算法的选择与设计,并通过Matlab编程实现。尽管目前100 Gb/s传输已经商用化,但本课题的研究为更高速率的传输提供了理论基础,依然是十分有意义的。

  全文共分为五章,第一章绪论部分,更加具体地介绍了PDM-QPSK技术的研究背景和现状,并说明了本文所作的工作;第二章是阐述了偏振复用技术和正交相移键控技术的原理,结合具体框图介绍了信号的形成过程;第三章在相干接收的基础上,根据信号在链路传输过程中经历的不同损伤选择了不同的DSP算法,并对算法原理进行了详细介绍;第四章先简要介绍Optisystem软件,然后通过该软件构建由五大模块构成的光纤系统模型,依次介绍各模块的内部框图,通过不断仿真对参数进行优化,利用图标分析不同参数下信号的性能,最终确定最优参数,实现可靠传输;第五章是对光通信目前发展的总结和对未来的展望。

  第一章 绪论

  1.1研究背景

  近几年来,全球4k高清视频,云计算,物联网,网络游戏等服务不断涌现,全球IP流量将以复合增长,未来五年的年增长率将达到21%,这就对通信的容量提出了很高的要求。光频比电信系统所用的频段要高好几个数量级,尤其在激光器和低损耗光纤问世后,使光纤的大容量通信成为了可能。为适应不断增长的带宽需求,我们需要不断寻找能扩大光纤链路信息承载容量的新技术。这些技术包括波分复用、模分复用、偏振复用和空分复用等,它们把许多独立信息通道集中在一根光纤中。其中偏振复用技术因其利用光在单模光纤中传输时的偏振特性,在不需要增加额外的带宽资源的情况下能够成倍提高单信道容量和传输速率,一直以来都是研究的热点。该技术是在原有光纤通信系统基础上进行升级实现高速,因此避免了网络的重复建设。除此以外,不同的码元调制技术对系统性能也能造成影响,常见的与偏振复用技术结合码元调制技术的有16QAM、DPSK、8PSK、QPSK等,本论文主要研究QPSK技术。已知单信道的传输速率已从 90 年代的2.5 Gb/s提高到目前商用的40 Gb/s,甚至100 Gb/s、400 Gb/s。单信道传输速率的不断提高,一些光纤损耗、串扰、色散等因素的影响也逐渐显露。它们使光信号发生畸变,降低系统性能。基于数字信号处理技术的相干光通信可在电域对信号进行各种损伤的补偿,将两者结合,能够实现可靠的高速相干光通信。

  1.2 偏振复用正交调制技术的发展及现状

  早期偏振复用技术的实验是要采用保偏光纤,但实际铺设的大多是单模光纤,这就使得以普通单模光纤作为传输媒质的偏振复用系统成为研究热点[1]。除此以外,偏振复用技术结合先进的码元调制技术,可以进行更高效的传输。对于PDM-QPSK技术,国外一直处领先地位。但近年来我国学者也进行了广泛的研究并取得了一定的成果。例如14年杜文涛等人使用数值模拟,证明了均衡PDM-QPSK信号的平均偏振度(DOP)是评估系统性能的一个很好的方法,为光纤系统设计和优化提供重要参考[2];17年于建军等人基于电气时分复用生成了153.6 Gbaud的PDM-QPSK信号并采用相干检测,在仅使用掺饵放大器(EDFA)的情况下,实现数据在单模光纤上传输了2800 km[3];李欣颖等人实验性地在W频带上采用基于马赫曾德尔调制器(MZM)的光子频率八进制和相位预编码技术,生成了PDM-QPSK调制的矢量信号。这也是第一次有人在W波段通过一个外部强度调制器实现偏振复用矢量信号的产生和接收[2]。

  1.3本文所作的工作

  首先了解了偏振复用技术的研究意义和现状,之后从偏振光的特性切入研究了偏振光在单模光纤中的传输。然后通过分析光纤链路中色散、偏振膜色散、频率偏差、相位噪声等各种损伤的成因,选择相应的DSP算法分别进行补偿。针对色度色散提出了FIR数字滤波器的设计;针对偏振串扰提出了CMA算法,设计出自适应滤波器;针对频率偏差和相位补提出共轭M次方和M次方算法。具体步骤均是根据算法的原理框图列出推算公式,确定参数的初始值。最后利用Optisystem软件搭建仿真模型,联合Matlab进行多次仿真,分析算法关键参数值对系统性能的影响,最后确定最优参数值,实现PDM-QPSK信号以

  100 Gb/s的高性能传输。

  第二章 偏振复用正交调制技术的理论基础

  2.1偏振复用技术原理简介

  2.1.1偏振光的特性

  光是一种电磁波,根据麦克斯韦方程组可知,磁场、电场与光的传播方向相互垂直。建立一个三维坐标系,为了研究方便,选定光是平面简谐波的情况。,即是线偏振波。同理,当电场矢量发生旋转,端点的轨迹在空间描绘出椭圆形状时即为椭圆偏振波,圆形时为圆偏振波。旋转方向又分别分为左旋和右旋。对于线偏振波,振动方向垂直即为正交;对于椭圆和圆偏振光,偏振方向向左旋转和向右旋转即为正交。任意一个线偏振波可以分解为两个独立同相位且相互正交的平面波,反之任意两个正交的平面波也可合成一个线偏振波。

  2.1.2 偏振光在单模光纤中的传输

  单模光纤是只能传输一种模式的光纤,与能传输多种模式的多模光纤比起来,更适合用于长距离、大容量的光纤传输系统。虽然但模光纤只能传输HE11(或等价的LP01)一种模。但实际上传输的是两个独立的间并传播模,这两个模十分相似,但偏振面相互正交。一般情况,单模光纤中光波的电场是两个偏振模的线性叠加。可以在每一个偏振态上均进行信号传输,即同时传输两路信号。这样在不占用额外的带宽资源的情况下,加倍地提高系统容量。本文研究的是传输100 Gb/s数据的情况,所以可以将数据分为两路均为50 Gb/s,分别调制到两个正交的偏振态上进行传输。接收端再用两束同偏振态的相干光进行解调,恢复数据。为了实现这一目的,需要利用相关的偏振器件。例如偏振分光器、偏振合束器、相位器等。如图2.2所示,是一个简略的在相干光通信系统中偏振复用框图。其中LD为半导体激光器、PBS为偏振分光器、PBC为偏振分束器、LO为本地振荡激光器、Coherent Reciever为相干光接收机。

  2.2正交调制技术相关理论简介

  要想提高系统传输容量,除了复用,还可以提高每一路信号的速率。然而当每一路信号速率提高时,一些之前低速时可忽略的影响因素便需要重视。为了解决高速时的一些干扰,除了增强硬件电路的性能,也可对信号进行码型调制来提高传输性能。不通的码型调制适应不同的速率。例如在低速率传输时,采用非归零码系统构造简单成本低;在高速时如果还采用它,误码率将会大大增加。所以需要一些更先进的调制格式。比如啁啾归零码、载波抑制归零码、正交相移相位键控调制、差分相位键控调制等。本文采用正交相移相位键控调制,即QPSK。它是一种调相格式,抗噪性能强,且由于是四进制调制,在同样的频带内信息速率比二进制的提高一倍。

  2.2.1 QPSK调制

  相干光通信中QPSK信号的调制框图如图2.2所示,其中PSK为相移键控调制器、MZM为马赫增德尔调制器

  s(n)为输入的基带信号,是二进制序列,经过PSK形成两路并行的四进制符号序列,分别为I路和Q路。它们对应关系如表2.1所示,QPSK信号的星座图如图2.4所示。如果s(n)的速率为50 Gb/s,则I路和Q路信号的速率均为输入信号的一半,即25 Gb/s。经过正交相移键控调制后的两路信号分别与激光器产生的光信号经过MZM调制,形成两路相互正交的调制光信号,之后进行耦合即生成一路QPSK光信号。

  第三章 偏振复用系统中数字信号处理的研究

  3.1 偏振复用系统中的损伤和串扰

  3.1.1 色散效应

  在光学中,我们把波速随波长变化的特性称为色散。沿光纤传输的光信号会因色散作用导致沿光纤传输的脉冲展宽,使相邻信号重叠,当重叠到一定程度时接收机将不能区分每个相邻的脉冲,从而出现错误。我们常用色散系数D来计算脉冲展宽值,定义为单位谱宽传输单位长度所产生的时延差。色散斜率  每个光学器件都可表现为一种偏振相关传输,不同器件对两个正交偏振态的插入损耗不同,因此光信号的偏振方向会发生变化,造成偏振态串扰,严重影响了信号的传输。PMD和PDL是一般同时发生的,但由于一起分析会过于复杂,所以都分开独立分析。偏振信号受偏振效应影响的传输矩阵可用琼斯矩阵表示,具体可参考文献[7]。

  3.2 数字信号处理算法研究

  3.2.1 色散补偿算法

  色散是光通信系统中引起信号损伤的重要因素之一,在光通信技术发展初期,它的补偿方法便被广泛研究。色散补偿既可在频域,也可在时域中进行。本文主要研究在时域上的数字滤波器设计。根据文献[8]可知,在不考虑非线性效应的情况下,普通单模光纤色散的频域传递函数为:

  知道了更新方程,还需知道滤波器的初始值。滤波器的初始值与长度有关,长度由链路中的差分群时延大小确定。初始抽头系数与滤波器的性质有关。对于因果型滤波器,W11和W22第一个抽头系数设为1,其它均为0;对于非因果型,中间系数设为1,其它为0。本文滤波器选取的长度为3,非因果型,所以滤波器系数的初始值分别参数,它的大小决定算法的收敛速度和准确度,过大会降低准确度,过小会降低收敛速度。所以取值的范围是有限的。准确计算范围过于复杂,所以可以通过反复仿真得出最优值。

  3.2.3 载波恢复

  理想情况下的相干光通信要求发射端激光器的中心频率和接收端本地振荡器的中心频率一致,然而由于制造工艺所限,它们之间总会存在一定的偏差。而且激光器并非产生单一波长的光源,存在线宽,导致了激光器的相位偏移,引起相位噪声。在DSP处理中,需要对频率偏移和相位噪声进行补偿。具体思想是先通过对信号相位的估计,估算两个激光器间的频率差,进行频率纠正。之后再根据一定算法估计出相位相位噪声大小,根据相位偏差校正接收到的信号,从而恢复原始相位信息。接下来分别介绍频率估计和相位估计的常用算法。

  第四章 偏振复用系统的仿真与分析

  4.1 Optisystem软件简介

  Optisystem是一款由加拿大的Optiwave公司研发的光通讯模拟软件,它是一个综合设计包软件,可以实现光网络系统传输层的设计、测试和仿真。Optisystem因其使用界面视窗化,无需复杂的代码语言编程、元器件包丰富、操作简单等优点,成为工程师在设计光纤系统时重要辅助软件。

  4.2 偏振复用系统模型的构建

  图4.1为偏振复用系统的整体框架,图4.2是通过Optisystem软件根据框架搭建的仿真模型。如图4.1所示,发送模块产生了PDM-QPSK光信号,经过光纤链路传输后进入接收模块。接收模块将光信号转换为基带电信号,之后基带电信号进入数字信号处理模块进行色散、偏振串扰等补偿,补偿后的信号进入解码模块进行解码即可得到原始信号。接下来的五个小节分别对五个模块进行更加详细的介绍,在每个小节里都介绍各模块对信号的处理过程并设置了初始参数,其中数字信号处理模块的参数是结合计算和多次仿真优化得到。

  4.2.1 信号发送模块

  发送模块内部的具体框图如图4.3所

  光载波由LD产生,它的发射波长设为1550nm,发射功率为0dBm,线宽为0.1MHz。首先原始信号经过串并转换分为两路,随后每一路都通过PSK模块输出I路和Q路,即共四路信号。LD经过PBS生成两路偏振态正交的光载波,每路光载波分别与I路或Q路信号通过MZM调制,生成QPSK光信号。两路光信号经过PBC耦合成一路信号发送到到光纤链路传输。因本文研究的是信号以100 Gb/s的速率传输,所以每个I路或Q路信号的速率均为25 Gb/s。

  4.2.2 光纤链路模块

  光纤链路比较简单,如图4.4所示,由单模光纤、掺饵光纤放大器和环路控制器组成。单模光纤用来传输已调光信号,信号的衰减、色散和串扰等因素来源于单模光纤上的传输。所以单模光纤制造工艺的高低决定了信号传输性能的好坏;在掺饵光纤放大器主要工作在1530nm-1565nm,除了能放大信号功率以补偿链路损耗,也会放大非线性效应,且自身也会产生噪声,主要为放大的自发辐射噪声(ASE),可在接收端通过滤波器降低ASE噪声;环路控制器用来构建循环结构系统,循环拓扑从循环输出端口开始,并在循环输入端口终止,用来省去重复构建的步骤。

  单模光纤的长度为50km,衰减系数为0.2dB/km,色散系数为16.75ps/nm/km,色散斜率为0.075 ps/nm^2/km,偏振膜色散系数为0.02 ps/sqrt(km);EDFA的增益为10dB,噪声系数为5dB;循环次数设为1

  4.2.3 相干接收模块

  接收端模块如图4.5所示,链路中信号通过PBS将正交的偏振态分离,根据相干解调理论,本振光与发射机波长相等,同样需要经过PBS分离出两个正交的偏振态。四路光两两混合,经过90°混频器,分离出载波相位正交的两个成分。再经过PD光电探测器,将光信号转换为电信号,放大滤波后得到基带信号。低通滤波器的截止频率为25 Gb/s。滤除带外噪声后,还存留带内噪声,这些噪声可以通过DSP消除。理想状况是发射机与接收机的波长均为1550nm,线宽为0,但实际上是不可行的。接收机的波长总会因为各种原因与发射机存在频率偏差,本次接收机激光器的波长为1549.99nm,线宽为0.1MHz,功率为10dBm。

  4.2.4 数字信号处理模块

  根据第三章内容可知,信号在DSP中主要经过三个步骤的补偿,依次为色散补偿、解偏串扰和载波恢复,且每步补偿的算法里都有一些重要参数会影响补偿的效果。接下来我们通过仿真生成的星座图,依次介绍各步补偿的效果。具体过程为:

  第一步为色散补偿。首先对比了信号在不同传输距离下,未经补偿和经过补偿的星座图,展现了该算法对传输不同距离的信号的补偿效果。之后在传输距离为50km且其它算法参数值设置为最优前提条件下,改变了色散补偿算法中关键参数抽头数的值,通过对比不同抽头数生成的星座图,说明了抽头数对最终效果的影响,选定最佳值。

  第二步为解偏振串扰。首先通过展示在传输距离为50km时信号经过CMA算法处理后的星座图,说明了该算法的有效性。之后在传输距离为50km且其它算法参数值设置为最优的前提条件下,改变CMA算法中关键参数步长,通过比较不同步长下生成的星座图,说明了步长对最终效果的影响,选定最佳值。

  第三步为载波恢复。主要研究了载波恢复中的频率补偿算法。在传输距离为50km且其它算法参数值设置为最优的前提条件下,改变了接收机与发射机的频差,通过观察不同频差下生成的星座图,说明该算法的有效补偿范围。

  (1)色散补偿

  如图4.6所示,为信号传输不同距离下,信号不进行色散补偿的星座图。可见信号传输距离越长,色散效应越明显,所以需要通过DSP中色散补偿技术进行补偿以恢复信号。

  (a)光纤长度为10km

  (b)光纤长度为 20km

  图4.6 几种光纤不同传输距离下,两路正交偏振信号未经色散补偿的星座图

  如图4.7所示,为信号在选定参数最优值情况下进行补偿后的星座图,明显比信号未进行补偿后星座图精确。

  (a)光纤长度为10km

  (b)光纤长度为20km

  图4.7 几种光纤不同传输距离下,两路正交偏振信号经过色散补偿的星座图

  图4.7直接展示了设置为最优参数情况下的效果,但如何确定色散补偿算法中的最优参数值其实是需要通过计算结合多次仿真才能确定。如3.2小节所讲,我们通过设计FIR数字滤波器进行色散补偿,其中滤波器的抽头数是重要参数。以传输50km为例,根据原理计算得到滤波器最小抽头数应该为17。如图4.6为选取不同抽头数下,信号的星座图。可见小于17时,QPSK信号不能很好的恢复;当大于17时,星座图准确。由于抽头数过大会增加计算的复杂度,所以选择17为最优抽头数的值。

  (a)抽头数为11

  (b)抽头数为15

  (c)抽头数为17

  (d)抽头数为79

  图 4.8 传输50km后,两路偏振态正交信号经过抽头数不同的数字滤波器后的星座图

  (2)CMA算法

  由于偏振复用系统会产生PMD,PMD会造成两个正交偏振态上信号的串扰,CMA算法便设计用来解偏振串扰。如图4.9所示为当信号传输50km时,各参数设置为最优值,经过各步DSP算法处理后星座图,由此可见CMA算法有效地使PMD-QPSK信号回归到模长恒定的状态。

  (a)DSP采样 (b)解偏振串扰 (c)载波恢复

  (d)DSP采样 (e)解偏振串扰 (f)载波恢复

  图4.9 信号经过DSP各步算法后的星座图:

  (a)(b)(c)为输入信号偏振态为X;

  (e)(d)(f)为输入信号偏振态为Y

  在CMA算法中,步长是重要参数,决定了算法的收敛速度和精确度。当步长选择过大时,计算精确度受影响;过小时,会影响收敛速度。如图4.10所示为信号传输50km时,不同步长对星座图的影响,可见步长越大,星座图误差越大。结合计算速度,最终选择最优步长为0.1。

  判决门限设为0,当输入信号幅度大于0时,判决为“+1”;当小于0时,判决为“-1”。之后I路和Q路信号通过PSK解码模块且串并转换后得到原始信号。

  第五章 总结

  本文主要工作分为三部分:

  第一部分 介绍偏振复用和正交调制的原理。先从偏振光的基础概念切入,知道了偏振方向正交的含义。之后通过单模光纤的传输性质,明白偏振复用的可行性。随后通过相干光检测框图,清晰理解了QPSK信号的调制解调过程,画出了星座图,这为系统的整体框架搭建和仿真结果分析提供了理论基础。

  第二部分 介绍了光纤链路中的不同损伤并针对性地提出补偿算法,这也是本文研究的重点。对于色散,设计了数字滤波器进行补偿。根据链路信息确定滤波器系数,之后进行截短、数字化等操作得出可实现的因果数字滤波器;对于偏振串扰,由于其快速变化的性质,需要设计的滤波器因是自适应的,根据恒模算法即得出滤波器系数的更新方程;对于由激光器频率偏差和线宽引起的损伤,在偏差在一定范围内,可以分别采用共轭M次方算法和M次方算法进行补偿。

  第三部分 首先根据五大模块搭建了偏振复用系统仿真模型。随后依次介绍了信号发送、光纤链路、相干接收、数字信号处理和解码模块的内部框图,并设定初始参数。其中数字信号处理模块的参数确定是通过不断仿真,观察星座图结果优化得来

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