西南交大光纤通信课程设计报告

光纤通信课程设计报告
班级：通信7班
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光通信系统中非线性补偿算法的综述
摘要：文章第一部分首先引出本文所要讲述的主要的光纤通信系统：相干光正交频分复用系统(CO-OFDM)、波分复用系统(WDM)，然后对二者当中存在的各种干扰以及各自的优点进行分析，最后根据分析结果得出：非线性损伤是亟待解决的主流问题。

第二部分针对这两种系统当中的非线性损伤的补偿问题介绍一下国内外的研究现状。

第三部分根据国内外对非线性损伤的补偿的研究现状做出大胆的预测，并预测未来光通信系统的发展趋势。

关键词：CO-OFDM；WDM；非线性损伤；补偿算法；
Abstract: The first part of the artical leads to about the main optical fiber communication systems: coherent optical orthogonal frequency division multiplexing (CO-OFDM), wavelength division multiplexing system (WDM),and then analyze various kinds of interference and their respective advantages existent in the two systems .,at last know that nonlinear damage is a mainstream problem to be solved.The second part of the issue introduced the research about the nonlinear compensation for these two systems .The third part of the artical make a bold prediction about the nonlinear compensation and forecast the development trend of future optical communication systems.
Key words: CO-OFDM; WDM; nonlinear damage; compensation algorithm;
一前沿
当前，人们对通信容量的需求急剧增加，光纤通信技术以其超高速、大容量、长距离、高抗电磁干扰性和低成本等无可比拟的优点，成为解决骨干网络容量压力的最佳选择。

由于目前商用的光传输系统主要是以10Gbit/s为主的波分复用(Mavelength Division Multiplexing，WDM)系统[1]，为了提高波分复用(WDM)长距离光纤传输系统的容量，可以通过三种途径来处理：(1)增加波长通道数，减小信道间隔；(2)扩展新的频带；(3)提高单信道信号速率。

目前在一些大容量WDM链路上，传输容量已经达到Tbit/s，如果想采用上述技术继续扩容就会产生很多限制因素：首先继续增加波长通道数，增加频谱效率，会使得通道间隔变窄，从而使光纤非线性效应尤其是信道间的串扰的抑制变得更加困难，同时对信道的复用/解复用器的要求也更加严格；其次，目前波长已应用了C和L波段，继续扩展新的频带来增加信道数量，将会向S、xL波段进而全波段发展，但相应波段的光放大器还不成熟。

所以如果要继续提高系统的传输容量和带宽，就必须提高单信道传输速率，即将单信道速率从目前10Gbit/s提高至40Gbit/s甚至100Gbit/s，产生单信道高速光传输系统。

但是随着单信道传输速率的大幅度提高，传统的强度调制/直接检测(IM/DD)系统面临着许多极限性的挑战：难度极大的色度色散(CD)以及色散斜率的补偿和管理；随机性的偏振模色散(PMD)，PMD极大的限制着系统的容量和传输距离，并被认为将是高码率IM/DD传输的最终限制因素[2]。

文献研究表明，当光纤传输系统速率达到40Gbit/s及以上时，光纤的非线性损伤成为
抑制系统传输性能的最主要因素之一[3]。

光纤中的非线性效应包括：受激非弹性散射(包括受激布里渊散射和受激喇曼散射)、非线性折射率(Kerr)效应。

光Kerr 效应包括自相位调制(SPM)、交叉相位调制(XPM)和四波混频(FWM)等[4]。

最近，无线通信领域中成熟的正交频分复用(OFDM)技术成为高速光传输中的一个研究热点。

相干光正交频分复用（CO-OFDM）由于使用的数百个子载波均采用高阶调制格式，其频谱效率高，并对光纤色散和偏振模色散具有很好的鲁棒性而正在引起显著的关注[5-9]。

OFDM技术不需要光链路做任何色散补偿管理，仅仅采用电域补偿算法就可以非常有效的补偿CD和PMD。

尤其是相干光OFDM技术(CO-OFDM)融合了OFDM技术和相干光通信的优点，具有高传输速率、高抗色散能力、高频谱效率等优势。

研究表明，CO-OFDM系统可以在现有光传输系统的基础上构建出高速率、低成本、长距离的光传输网络，是实现下一代超高速长距离光传输系统的十分有竞争力的技术之一[2]。

但是，OFDM固有的缺点之一是它的高峰平均功率比(PARR)，这就需要高动态范围的线性功率放大器，DA / AD转换器，光调制器/解调器。

在CO-OFDM 系统中，高PAPR增加的克尔效应引起光纤的光纤非线性损伤。

因此，它使得信号经过传输之后的光信噪比(OSNR)很低，并最终限制了传输的最大化[10]。

目前，补偿线性损伤包括CD和PMD的技术日渐成熟[11-12]，非线性损伤成为CO-OFDM 通信系统容量的限制因素。

在WDM系统中，信道数目的增加和信道间隔的减小导致了较高的非线性损伤[13]。

提高频谱效率和增加传输距离要求增加光信噪比，但是对于一个给定的噪声水平的通信系统OSNR的增加需要增加信号功率，这反过来又产生更严重的非线性损伤[14]。

经过以上分析可知，减少或补偿非线性损伤，成为一个棘手的问题。

二非线性损伤的补偿在国内外的研究现状
除非是系统信道中光功率刻意的保持很低，否则非线性损伤会影响所有长距离光传输系统[15]，对于有很高PAPR的CO-OFDM系统更是如此。

由于光OFDM 信号是由一系列的子信道信号重叠起来的，所以很容易使时域信号具有高的PAPR。

与无线通信系统相比，光纤通信系统属于非线性媒质传输，由于光OFDM 系统各子载波之间频谱间隔小，这使得子载波间的走离效应很弱，很容易满足非线性FWM相互作用产生的条件，形成串扰；由于子载波间隔一般为数十MHz 或几百MHz，与WDM系统不一样，各子载波间的数据相关性也会通过交叉相位调制(XPM)、四波混频(FWM)非线性效应相互影响[2]。

在CO-OFDM系统中的主要的非线性损伤是FWM，子载波的SPM和XPM 产生的固定相移不会有明显损伤[16-20]。

文献[16]从频域单个子载波的角度，利用藕合波方程，详细分析了CO-OFDM系统中非线性损伤的作用机理，主要研究FWM损伤。

2008年M. Nazarathy，J. Khurgin，R. Weidenfeld等人分析研究了在OFDM多带系统当中色散和FWM的综合效应，得到色散可以有效降低FWM的影响[21]。

伦敦大学的Yannis Benlaehtar等用实验证实11Gbit/sOFDM系统传输1600公里时自相位调制(SPM)对光OFDM信号的损伤[22]。

2009年有人从每一个子载波产生非线性噪声角度研究分析了CO-OFDM系统信道的非线性损伤[23]。

在OFDM系统当中，由于高的PAPR会产生严重的非线性损伤，所以可以从降低PAPR的方面入手来减弱非线性损伤的影响。

一些方法已经被研究用于降低OFDM系统的PAPR。

例如限幅技术[24] 、预编码[25]、部分传输技术[26]、选择
性映射[27]、光学相位调制器[28]。

限幅技术是最简单也是在实时处理系统中广泛采用的技术，但是它会引入限幅噪声从而影响系统的性能。

其它方法增加了额外的复杂度、编码开销、额外增加光学器件等。

在2010年，Hwan Seok Chung，Sun Hyok Chang，Kwangjoon Kim等人[29]证明了在CO-OFDM传输系统当中，μ-律压扩变换对光纤非线性抑制。

这种方法基于时域盲信号处理操作。

其中对压扩参数对噪声的变化和PAPR的影响进行了研究。

研究过程中数模转换器、色散图、发射功率的公差等因素都被考虑在内。

误比特率的测量结果表明μ-律压扩变换使得光信号通过SMF传输1040km之后OSNR可以达到超过5.5dB。

测量结果也表明μ-律压扩变换在减少光纤非线性损伤时对限幅技术有很好的效果。

最近，离散傅里叶传输扩展的正交频分复用（discrete-Fourier-transform spread OFDM ，DFT-S OFDM ）作为一个具有吸引力的代表被用于传统的CO-OFDM系统中代替原始的OFDM调制方式[30]，其在每一个OFDM子带内都具有较低的PAPR。

和传统的OFDM相比较，DFT-S OFDM 优越的非线性性能已经通过仿真得到了很好的证明30]。

2011年Xi Chen，An Li，Guanjun Gao，William Shieh等人对DFT-S OFDM的优越的非线性性能用实验进行了验证，一个密集间隔为8×55.1 Gbit / s的DFT-S OFDM信道在经过1120km传输后被成功接收，其频谱效率达到了3.5 bit/s/Hz[31]。

在后向传输的系统中通过使用DSP技术，那些确定的线性和非线性噪声可以得到补偿，但是由于放大自发辐射（ASE）噪声和系统中的光纤克尔非线性效应一起造成的非线性相位噪声，又称G-M影响[32]，不能使用数字后向传输技术得到补偿。

Xianming Zhu，Shiva Kumar等人在2010年推导出一个适用于计算CO-OFDM系统中，由于ASE噪声和系统中的光纤克尔非线性效应一起造成的非线性相位噪声的解析公式[33]。

Liang B. Y. Du and Arthur J. Lowery等人在2010年提出一种多步的非线性补偿的方法，该方法用在采用数字后向传输技术的系统当中可以对这种技术进行有效的改进[34]。

单步方法在认为光纤中的色散是可以忽略的条件下而进行的非线性补偿，该方法具有高的计算效率，但是他们只适合低色散的光纤或者色散被定期补偿的光纤链路[35]。

Liang B. Y. Du，Arthur J. Lowery 等人在2011年证明基于试点的非线性补偿（Pilot-based nonlinearity compensation ，PB-NLC）可以有效地补偿当系统中的SPM首先被补偿之后由XPM造成的非线性损伤[36]。

PB-NLC技术由于可以被DSP技术完全实现，所以其不需要额外的硬件，但是该技术补偿效果并不是很明显，在一个2000km的没有色散管理的链路当中该技术只提高非线性的阈值0.5dB[37]，在有色散管理的链路当中该值会更小[38]。

针对CO-OFDM系统的非线性损伤的电域补偿，部分载波填充电域补偿算法(PCF)可以降低FWM损伤[39]；文献[40]中采用时域非线性相位的前补偿算法，文献[41]研究了时域非线性相位的前补偿、后补偿和前后同时补偿算法。

针对偏振复用CO-OFDM系统，文献[42]提出采用时域相位的双偏振前补偿算法。

不管是前补偿、后补偿还是前后同时补偿，它们的基本原理都是类似的：基于相反的非线性致时域相位移动。

目前CO-OFDM系统的光域补偿文献较少，但是可以借鉴一下单载波传输系统的补偿算法，文献[43]于1996年首次提出采用具有负非线性系数的材料补偿信道的非线性损伤。

最近，文献[44]分别研究了基于相反的非线性及色散参数的预非线性补偿。

同时也可以采用光学相位共扼(OPC)补偿光纤传输系统的非线性损伤，OPC可以用来补偿OOK系统的色散[45]，非线性损伤[46]，或者同时补偿色散和非线性损伤[47]；信道内非线性损伤[48]；DQPSK传输
系统中补偿信道的SPM和G-M损伤[49]，光孤子传输系统的G-M噪声[50]；RoF 的色散和非线性损伤[51]。

上述各种方法是在CO-OFDM系统当中对非线性损伤的补偿，但是有些方法还是可以应用在WDM系统中进行非线性损伤的补偿，因为在WDM系统当中也较多的采用了OFDM的调制方式。

目前，WDM系统是商用的比较多光通信系统，非线性损伤也成为了限制各种WDM系统的主要因素，下面就在WDM 系统当中的非线性损伤的方法进行一些介绍。

在WDM系统当中有很多经典的补偿方法例如：优化色散和色散图方法[52]、新的调制格式[53]、偏振交织[54]、先进的扩增方法[55]、光学相位共轭[56]、后处理[57-58]等。

在上述方法当中除了光学相位共轭和后处理方法以外，其它所列举的方法都是设计一种具有高的非线性容限的系统。

最近，一种集总的非线性后处理方法被提了出来，该方法是在假设系统当中的色散比较低的基础之下形成的[59]。

近年来，随着相干光通信的发展[60]，全电信号在数字域能够进行访问。

随着全电信号的介入，即使在光纤中的色散很大的情况下也能够进行非线性的补偿，这就导致信号在传输时的波形变化是不能够忽略的[61-62]。

此外，信道间的非线性损伤例如XPM、FWM也能够得到补偿。

在这些补偿技术当中数字后向传播技术（Digital backward Propagation ,DBP）技术被看做是最有前途的。

在WDM系统中使用DBP技术补偿非线性在技术上具有挑战性。

在WDM 系统中，作为一个整体的系统遇到大量的非线性和色散，它是不可能通过单一的步骤来补偿非线性损伤的。

相反，所有WDM信道的电场作为一个整体必须沿光线进行后向传输。

与只需要补偿线性损伤的WDM系统相比，这显然需要更多的计算[63]。

因此，先进的技术还要继续发展，使DBP在补偿非线性损伤的同时能够有一个可以容忍的计算量[64]。

美国中佛罗里达大学的李桂芳教授所带领的课题组，在DBP技术进行非线性损伤的补偿的方面做出了大量研究。

在2010年，该课题组提出了在WDM光传输系统当中通过使用耦合的非线性薛定谔方程，采用一种先进的分步方法来减少DBP技术对信道间的非线性损伤进行补偿时的运算负荷[65]。

同年，他们通过试验验证了通过采用解耦合的非线性薛定谔方程进行分布式XPM补偿的DBP技术的可行性[66]。

在2011年，他们又提出了一种改进的分步方法（split-step method，SSM）用于偏振复用的波分复用（PDM-WDM）系统中。

在该系统当中，一个由Manakov方程所推导出的耦合系统的非线性偏微分方程被用在DBP技术的计算过程当中[67]。

同年，在PDM-WDM系统当中，提出了一种选择性的后补偿（Selective post-compensation）的方法，该方法由Manakov方程所推导出的耦合系统的非线性偏微分方程被用在DBP技术的计算过程当中而得到。

同时他们还在具有不同的信道粒度（channel granularities）的WDM系统当中进行了仿真以估计该方法在不同的信道内或者信道间采用DBP 技术进行非线性损伤的补偿时的性能和计算负荷方面的实用性[68]。

在2012，李桂芳教授的课题组，提出了一种色散折叠（dispersion-folded）的DBP技术用来减少在进行非线性补偿时产生的庞大的计算量[69]。

由上面的分析可以知道，无论是在纯净的CO-OFDM系统还是在WDM系统中，非线性损伤都是一个关键的因素，必须进行进一步深入的研究。

上述研究只是开始，随着光通信的迅猛发展，以及技术的日新月异，更有效的技术将会越来越多的应用于光通信系统当中进行高效简单的非线性损伤的补偿。

三结论
首先，OFDM技术由于其高效的抗色散性能、高的频谱利用效率的独特优势，同时伴随着先进的DSP技术的发展，其必将受到越来越多的关注。

同时CO-OFDM系统也会成为研究的焦点，同时该系统当中的非线性损伤也会得到更为广泛的研究，新的补偿算法也必将会用于该系统当中进行非线性损伤的补偿。

其次，目前对于如何解决高速传输链路中的残余色散问题，尚未达成共识，也没有成熟的解决方案。

所以残余色散对非线性损伤的抑制作用是一个值得深思的东西，将来势必引起巨大的关注。

另外值得注意的是电均衡技术可以同时补偿链路残余色散和光纤非线性，也势必受到较多关注。

由于在电域对信号进行处理，具有灵活方便的优势。

基于DSP技术的相干检测系统可提高系统灵敏度和谱效率，并且具有强大的电信号处理能力，为电均衡技术的发展和应用提供了新平台，成为近来的研究热点。

最后，WDM系统是目前商用的主要系统，随着业务流的日益增多以及人们要求的不断调高，现有的WDM系统已经越来越不适应现实生活的需要，更大容量的系统将会应运而生。

但是，只能在现有的通信网络的基础之上进行升级才能够保证更好的性价比，所以OFDM这种调制格式在WDM系统当中的应用已经成为了势不可挡的趋势。

结合之后的OFDM-WDM系统的通信容量将会得到飞速的提升，并且频谱利用效率也会得到很大的改善。

但是，由于系统当中的通道内、通道间的非线性损伤与以前纯净的系统相比只会有过之而无不及，所以对该系统信道内外非线性损伤的补偿算法的研究将会受到越来越多的关注。

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学习心得：
正交频分复用（OFDM）技术是随着数字信号处理技术的成熟而逐渐发展起来的一种数字多载波调制技术，目前主要应用在无线通信系统中，它将高速的数据信号分成多路低速数据信号，并调制的一组正交子载波上进行并行传输，可以有效地抵抗无线信道多径衰落并提高系统频谱利用率。

我们在本学期课程中学习到，在光纤通信系统中，光纤的色度色散和偏振模色散严重限制了高速数据信号的传输距离。

从本文对OFDM技术的详述中，并结合其他一些材料，我了解到了，由于光纤色散的影响和无线信道中多径效应的影响有类似的效果，即色散使不同频率成分的光波具有不同的传播速度，而无线信道中的多径效应使经过不同路径的信号成分到达接收端的时间不同，因此，OFDM 调制技术同样可以用来克服光纤的色度色散和偏振模色散以及多模光纤的模间色散的影响。

将OFDM 技术引入到光通信中，使高速的数据信号能够在大色散信道中远距离传输的技术，即光正交频分复用技术（O-OFDM）。

为了在光纤通信系统中进一步延长通信距离，提高通信传输容量，可以利用无线电通信中使用的外差接收技术，即相干光通信系统。

相干通信系统采用相干调制（CO），还保证了光域信号到射频信号的变换为线性变换，满足了OFDM 系统的线性要求，同时，OFDM技术使线性系统计算效率高、信道简单。

因此，将相干探测与OFDM 技术相结合，即CO-OFDM 技术，在下一代100Gbps 传输系统的研究中备受青睐。

从本文献中我归纳出，CO-OFDM 具有的WDM系统所没有的优势，主要表现在：
1）由于OFDM 的正交性，最大限度的利用了频谱资源，提高了频谱利用率；
2）CO-OFDM 系统在传输过程中不需要色散补偿，在接收端无需色散处理机制。

这样既能够实现高速率传输，降低了网络的复杂度，同时也能适应动态变化的网络环境；
3）CO-OFDM 系统与原来的商业化很成熟的WDM 系统有很好的兼容性，可充分利用WDM 系统在原有网络基础设施方面的巨大投资，只需要在发射端和接收端进行适当的改造即能够很好的完成升级，具有很强的信道容量可扩展性，扩容方便。

但是CO-OFDM同样存在着缺陷。

那就是高PAPR增加的克尔效应引起光纤的光纤非线性损伤。

因此，它使得信号经过传输之后的光信噪比(OSNR)很低，从而限制了通信系统容量。

关于解决光纤非线性损伤的办法，本文献首先说明了WDM系统所采用的的方法：优化色散和色散图方法、新的调制格式、偏振交织、先进的扩增方法、光学相位共轭、后处理等。

然后，详述了在CO-OFDM系统方面，国内外的进展。

如：
μ-律压扩变换对光纤非线性的抑制；。