光通信与无线融合新技术论文-赵云飞

光通信与无线通信融合新技术

光纤通信系统中的信道均衡技术研究

08G9448赵云飞

摘要：

近年来，现代社会对通信系统传输速率的要求不断提高，极大地刺激了光纤传输系统向超高速和超长距离的方向发展，与此同时因光纤信道自身的特点而导致的色度色散和偏振模色散对光纤传输系统性能的影响也越发严重了。作为光纤信道中的线性效应，色度色散和偏振模色散使光脉冲在传输过程中发生展宽畸变从而在接收机处产生码间串扰，并严重地影响系统的误码性能。为此，人们提出了许多新技术来克服或者抑制色度色散和偏振模色散，如采用新型的调制格式，线性编码技术，新型光纤，光均衡技术以及电均衡技术。本论文的主要工作是研究光以及电均衡技术在光纤通信系统中的应用。

本论文首先分析了光纤中的色度色散以及偏振模色散效应，给出了它们引起码间串扰的机理。导出了考虑色度色散和偏振模色散时光纤信道的传输函数。导出了分布式放置光放大器的幅度调制直接检测光纤通信系统的低通等效模型，并将该模型用于论文中光、电均衡技术的研究。

紧接着，本论文研究了光均衡技术在光纤通信系统中的应用。首先介绍了描述光纤信道中偏振模色散效应的重要参数偏振模色散向量，分析了其统计特性。接着讨论了经典的偏振模色散模型，详细推导了全阶偏振模色散模型，并证实了其准确性。论文分析了常用的一阶偏振模色散光均衡器以及典型的高阶偏振模色散光均衡器的优势以及存在的问题。针对这些光均衡器存在的问题，本论文提出了一种新型的高阶偏振模色散光均衡器，并对其性能进行了仿真评估。仿真结果表明，该均衡器在不增加系统结构复杂度的前提下，简化了控制算法，降低了对反馈信号的要求，同时具有一定优于一阶偏振模色散光均衡器的均衡效果。本论文在马尔可夫蒙特卡罗仿真的经典理论的基础上，实现了如何使用马尔可夫蒙特卡罗仿真方法评估采用高阶偏振模色散光均衡器的光纤通信系统的故障(Outage)概率。并且使用马尔可夫蒙特卡罗仿真方法评估了本论文提出的新型高阶偏振模色散光均衡器的性能。

最后，本论文研究了基于数字信号处理的电均衡技术在光纤通信系统中的应用。推导了幅度调制直接检测光纤通信系统的离散时间信道模型。介绍了最大似然序列估计以及迭代最大后验概率均衡在光纤通信系统中的应用，分析了这两种电均衡技术存在的问题。针对这些问题，本论文提出了一种新的迭代均衡算法：迭代最小均方误差均衡，该技术可以有效的抑制由信道中的线性效应导致的码间串扰，与最大似然序列估计相比，具有更好的均衡效果。

关键词：光纤通信系统色度色散最大似然序列估计迭代均衡

正文：

随着科学技术的不断发展和现代社会对信息需求的日益增加，人们对通信系统的容量和传输距离的要求不断提高，从而极大地刺激了光纤通信系统向超大容量和超长距离的方向发展，因而对系统的设计要求也大大提高了。由于传输的光信号具有越来越宽的频谱，因光纤信道自身的特点导致的色度色散和偏振模色散对光纤传输系统性能的影响越发的严重了。色度色散和偏振模色散作为信道中的线性效应使信号在传输过程中发生展宽畸变，从而在接收机处产生码间串扰，严重地影响系统的误码性能。为此人们提出了许多新技术来克服或者抑制这些不利因素，如使用新型的调制格式，线性编码技术，使用新型光纤，光均衡技术以及电均衡技术。本论文的主要工作是研究光均衡技术和电均衡技术在光纤通信系统中的应用。光均衡技术自身的优势在于它不需要改变系统的总体结构，而且由于它作用于光电检测器之前，从而避免了检测器导致的额外信息损失并且对系统传输速率具有透明性。光均衡技术还可以在一定程度上抑制信道中非线性效应导致的性能劣化，但本论文的重点是研究如何使用光均衡技术抑制色度色散和偏振模色散。

众所周知，在光域里抑制色度色散效应的最佳方法是使用色散补偿光纤。因此在过去的几年里，人们对光均衡技术的研究主要集中在如何使用光均衡器来均衡信道中的偏振模色散效应。研究工作从一阶偏振模色散光均衡器]延伸到高阶偏振模色散光均衡器。光均衡器的实现方式包括：单独或者级联的偏振控制器加上保偏光纤；使用偏振控制器加上平面光波导(PLC)等。当然，对信道中偏振模色散效应建模分析的工作也非常重要，这是光均衡器设计的理论依据。偏振模色散建模这方面的工作从Foschini和Poole的经典论文开始主要分为两个分支：1)基于偏振模色散向量的统计特性；2)由给定的偏振模色散向量得到它对应的琼斯(Jones)矩阵。这些基础理论工作使得对光纤通信系统中由于偏振模色散效应而产生的故障(Outage)概率的理论分析成为可能，同时使得对信道中的偏振模色散效应进行准确的建模仿真也成为现实。常用的偏振模色散模型有一阶偏振模色散模型，简化的二阶偏振模色散模型，Bruyère二阶偏振模色散模型，EMTY二阶偏振模色散模型，PlanarSweep二阶偏振模色散模型以及全阶偏振模色散模型。利用这些模型，一方面可以设计光均衡器，同时还可以对光均衡器的性能进行评估分析。在这些模型中，全阶偏振模色散模型是较为准确的偏振模色散模型。但是，基于该模型，使用蒙特卡罗仿真无法估算出现较低Outage概率的光纤通信系统或者使用光均衡器的光纤通信系统(一般来说满足Outage概率的性能，这是由于蒙特卡罗仿真是基于一系列相互独立的样本。为了解决这一矛盾，很多为了降低仿真偏振模色散效应使用样本数的算法被提了出来。本论文在研究前人工作的基础上，针对典型的偏振模色散光均衡器存在的问题，提出了一种新型的高阶偏振模色散光均衡器(第3章)，并且实现了如何使用马尔可夫蒙特卡罗仿真方法评估高阶偏振模色散光均衡器均衡下的光纤通信系统的性能。这些工作丰富了光均衡技术的研究成果。光均衡技术仍有其自身的问题需要解决。该技术的实现成本还有待降低，同时其可靠性、可控制性、以及所使用的光器件的可集成度都有待提高。目前，该技术所存在的主要问题是必须使用极为复杂的反馈控制系统和昂贵的光器件。电均衡技术正好可以弥补光均衡技术的不足。电均衡技术不仅对接收机处的码间串扰也有很好的均衡效果，而且具有极低的实现成本，从而成为了最近研究的热点。电均衡技术的理论已经十分成熟，包括均衡的理论背景和各种实用的均衡算法，该技术也早已应用于移动电话等无线通信系统中。但是，电均衡技术特别是基于数字信号处理的电均衡技术在光纤通信系统中的应用无法照搬现有的理论，原因在于光纤通信系统中光电转换这一非线性环节。在接收机处的光电检测器使得光纤信道中色度色散和偏振模色散这些线性效应导致的线性码间串扰转变为了非线性的码间串扰。同时，由于现有的光纤通信系统广泛使用分布放置的光放大器，例如分布的掺饵光纤放大器，信道中的自发辐射噪声在整个系统中成为了取代