100Gbps+DPQPSK光纖通信系統(tǒng)技術(shù)研究碩士論文

劣妻京交 碩士學位論文 堙 鉻 一 l O O G b p sD P Q P S K 光纖通信系統(tǒng)技術(shù)研究 T h es t u d yo ft e c h n o l o g yo flO O G b p sD P - - Q P S K o p t i c a l c o m m u n i c a t i o ns y s t e m 作者：康健 導師：李唐軍 北京交通大學 2 0 1 4 年3 月 學位論文版權(quán)使用授權(quán)書 Y l l l l l l 2 l l l l1 6 l I M O I I1 2 I I l l 7 I l l l 2 ( I I I l l F I I I 本學位論文作者完全了解北京交通大學有關(guān)保留、使用學位論文的規(guī)定。特 授權(quán)北京交通大學可以將學位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進行檢索， 并采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存、匯編以供查閱和借閱。同意學校向國 家有關(guān)部門或機構(gòu)送交論文的復(fù)印件和磁盤。 ( 保密的學位論文在解密后適用本授權(quán)說明) 學位論文作者簽名： 陲侮 簽字日期：? oI 午年3 月2 0 日 導師簽名： 簽字日期：乃，夠年歲月歷日 中圖分類號：T N 9 1 3 7 U D C ：6 2 1 3 9 學校代碼：1 0 0 0 4 密級：公開 北京交通大學 碩士學位論文 lO O G b p sD P Q P S K 光纖通信系統(tǒng)技術(shù)研究 T h es t u d yo f t e c h n o l o g yo f10 0 G b p sD P Q P S Ko p t i c a l c o m m u n i c a t i o ns y s t e m 作者姓名：康健 導師姓名：李唐軍 學位類別：工學 學號：1 11 2 0 1 0 2 職稱：教授 學位級別：碩士 學科專業(yè)：通信與信息系統(tǒng)研究方向：光通信 北京交通大學 2 0 1 4 年3 月 致謝 本論文的工作是在我的導師李唐軍教授的悉心指導下完成的，李唐軍教授嚴 謹?shù)闹螌W態(tài)度和科學的工作方法給了我極大的幫助和影響。在此衷心感謝三年來 李唐軍老師對我的關(guān)心和指導。 李唐軍教授悉心指導我完成了實驗室的科研工作，在學習上和生活上都給予 了我很大的關(guān)心和幫助，在此向李唐軍老師表示衷心的謝意。 李唐軍教授對于我的科研工作和論文都提出了許多的寶貴意見，在此表示衷 心的感謝。 在實驗室工作及撰寫論文期間，賈楠博士、鐘康平博士、孫健博士、孫磊、 高赫等同學對我論文中的1 0 0 G b p s 高速光傳輸系統(tǒng)研究工作給予了熱情幫助，在 此向他們表達我的感激之情。 另外也感謝我的家人，他們的理解和支持使我能夠在學校專心完成我的學業(yè)。 北京交通大學碩士學位論文 中文摘要 中文摘要 摘要：隨著以移動視頻為代表的寬帶業(yè)務(wù)的飛速發(fā)展；以大數(shù)據(jù)處理、物聯(lián)網(wǎng)和 云計算為代表的新技術(shù)概念的迅猛興起，使得通信網(wǎng)的傳輸帶寬日益緊張。當前， 已經(jīng)部署的1 0 、4 0 G b p s 傳輸網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)不能滿足來自不同領(lǐng)域新型技術(shù)與應(yīng)用的 帶寬要求，各大運營商都將目光聚集在1 0 0 G b p s 超高速網(wǎng)絡(luò)建設(shè)上，所以本文的 研究內(nèi)容具有重大意義。 通信工程專業(yè)教學改革與研究是北京交通大學承擔的國家級教改項目。 該項目瞄準建設(shè)“一流研究型 大學的發(fā)展目標，優(yōu)化通信專業(yè)結(jié)構(gòu)，提升水平， 創(chuàng)新人才培養(yǎng)模式，為培養(yǎng)出國家所需的優(yōu)秀通信人才而努力。為了滿足國家級 通信工程特色專業(yè)實驗教學平臺的建設(shè)要求，針對“2 0 1 3 年是中國1 0 0 G b p s 高速 光傳輸系統(tǒng)商用元年”這一狀況，我校去年開始進行光通信與光器件實驗平臺建 設(shè)，基于該實驗平臺可以進行與高速光傳輸系統(tǒng)相關(guān)的研究和實驗。本文圍繞我 校通信工程國家級教改項目中的“光通信與光器件實驗平臺建設(shè)”進行工作，主 要的創(chuàng)新點和研究工作包括： 1 在本文中對1 0 0 G b p s 光通信系統(tǒng)的傳輸過程進行了詳細的理論分析，然后 用O p t i S y s t e m 和M a t l a b 軟件建模了1 2 0 G b p sD P Q P S K 相干光傳輸系統(tǒng)，給出了 建模仿真結(jié)果圖。在此基礎(chǔ)上，提出了我專業(yè)實驗室搭建該系統(tǒng)的解決方案，該 方案完全符合實驗室設(shè)備采購原則：通過利用實驗室現(xiàn)有儀器，在滿足系統(tǒng)性能 條件下搭建該系統(tǒng)，并盡可能節(jié)約采購成本。 2 針對現(xiàn)代通信系統(tǒng)中全數(shù)字化、全智能化這一趨勢特點，本文提出了一種 基于改進粒子群算法的載波相位估計K - P S O 算法，并用M a t l a b 軟件對它進行仿 真，從不同角度進行了詳細分析。K P S O 算法具有智能化高、控制參數(shù)少、擴展 性強等優(yōu)點。在展望中，又提出一種K - P S O 與基于網(wǎng)格密度的聚類相結(jié)合的載波 相位估計算法。在我校光通信與光器件實驗平臺搭建完成后，可以進行背靠背實 驗驗證，本文對新算法的提出也是對該實驗平臺未來應(yīng)用效果的預(yù)期。 關(guān)鍵詞：1 0 0 G b p s D P Q P S K 相干光傳輸光通信與光器件實驗平臺相位估計算法 粒子群算法網(wǎng)絡(luò)和密度的聚類 分類號：T N 9 1 3 7 A B S T R A C T ：W i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to f t h eb r o a d b a n ds e r v i c e s , s u c ha Sm o b l l e 們d e o ：w i t ht h er a p i dr i s i n go ft h en e wt e c h n o l o g y , s u c ha sB i g D a t aP r o c e s s i n g ，T h e 【1 1 t e m e to fT h i n g s ，C l o u dC o m p u t i n ga n dS Oo n A l lo f t h i sm a k e st h eb a n d w i d t ho f c ) n n u n i c a t i o nn e t w o f kb e c o m em o r ea n dm o r e n e r v o u s N o w a d a y s ，10 G b p s ，4 0 G b p s n e 晰o r kh a sb e e nu n a b l et om e e tt h eb a n d w i d t hr e q u i r e m e n t so f t h en e wt e c h n o l o g i e s 砌1 da p p l i c a t i o U Sf r o md i f f e r e n tf i e l d s A l lo p e r a t o r sw i l lf o c u so nt h ec o n s 咖c t l o no t 10 0 G b p sh i g hs p e e dc o m m u n i c a t i o nn e t w o r k S ot h ec o n t e n to f t h i sp a p e r1 so fg r e a t s i 咖6 c a l l c e - T e a c h i n gr e f o r ma n dr e s e a r c ho nm a j o ro fc o m m u n i c a t i o ne n g i n e e r i n g 1 s 仇e n a t i o n a le d u c a t i o nr e f 0 mp r o j e c tu n d e r t a k e nb yB e i j i n gJ i a o t o n gU n i v e r s i t y T h e d e v e l o p m 饑tg o a l so ft h ep r o j e c ta i m e da tb u i l d i n ga f i r s t c l a s sr e s e a r c h u n i V 盯s 峨 o p t i m i z i n gs t m c t u r eo f c o m m u n i c a t i o nm a j o r , i n n o v a t i n gt h em o d e o ft M e n tc u l t i v a t i o n ， c u l t i V 缸1 9e X c e l l e n t c o m m u n i c a t i o nt a l e n t s f o rn a t i o n I no r d e rt om e e tt h e r e q u i r e m e n t so ft h ec o n s t r u c t i o no f t h en a t i o n a lc o m m u n i c a t i o ne n 9 1 n e e n n gs p 锨a l t y e x p e r i m e n tt e a c h i n gp l a t f o r m ，a c c o r d i n gt ot h es i t u a t i o no f 2 0 1 3i st h ec o m m e r c l a l v e a ro fC h i n e s elO O G b p sh i g h - s p e e do p t i c a l t r a n s m i s s i o ns y s t e m ，o u ru n i v e r s l t y s t a n e dm ec o n s t m c t i o no f e x p e r i m e n t a lp l a t f o r mo fo p t i c a lc o n u n u n i c a t i o n a n do P t l c a l d e v i c e s l a s ty e 札 B a s e do nt h i se x p e r i m e n t a lp l a t f o r m w ec a nr e s e 砌 a n d e X p e l m e n t sr e l a t e dt oh i g h - s p e e do p t i c a lt r a n s m i s s i o ns y s t e m T h i sp a p e r i s 咖u n d 廿1 e w o r ko fc o n s t m c t i o no f e x p e r i n a e n t a lp l a t f o r mo fo p t i c a lc o m m u n i c a t i o na n do P t l c a J d e v i c e s T h em a i nr e s e a r c hw o r ka n di n n o v a t i o ni n c l u d e ： 1 I n “sp a p e rg a v ead e t a i l e da n a l y s i so ft h et r a n s m i s s i o np r o c e s so f1 0 0 G b p s o p t i c a lc o m m u n i c a t i o ns y s t e m A n dt h e nm o d e l e d 12 0 G b p sD P - Q P S Kc o h e r e n to p t l c a l t r a n s m i s s i o ns v s t 鋤u s eO p t i S y s t e ma n dM a t l a bs o f t w a r e A tl a s tg a v et h er e s u l t so f s i m u l a t i o n O nt h i sb a s i s ，p r o p o s e dt h es o l u t i o no fc o n s t r u c t i n gt h i s s y s t e mf o ro u r l a b o r a t o r y T h es o l u t i o n sf u l l yc o m p l yw i t ht h ee q u i p m e n tp r o c u r e m e n tp r i n c i p l e s o f l a b o r a t o r v ：T h ep r e m i s ei st om e e tp e r f o r m a n c e ，b u i l dt h es y s t e ma sm u c h a sp o s s i b l e t ou s ee x i s t i n gl a b o r a t o r ye q u i p m e n t ，a n da sm u c ha sp o s s i b l et o s a v et h ep u r c h a s i n g c o s t 2 A c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i co ft r e n do fd i g i t a l ，i n t e l l i g e n t i nt h er o o d L e r n i u B e i j i n gJ i a o t o n gU n i v e r s i t yM a s t e rT h e s i s A B S T R A C T c o m m u n i c a t i o ns y s t e m ，t h i sp a p e rp r o p o s e dac a r r i e rp h a s ee s t i m a t i o na l g o r i t h mb a s e d o ni m p r o v e dp a r t i c l es w a r mo p t i m i z a t i o n ( K - P S O ) ，a n du s e dM a t l a bs o f t w a r et o s i m u l a t e g a v ed e t a i l e da n a l y s i sf r o md i f f e r e n ta s p e c t s T h ea d v a n t a g eo ft h eK - P S O a l g o r i t h mi si n t e l l i g e n ta n ds c a l a b i l i t y A n dt h eK - P S Oa l g o r i t h mh a sl e s sc o n t r o l p a r a m e t e r s I nt h ep a r to ff u t u r ep r o s p e c t so ft h i sp a p e r , p r o p o s e dac a r t i e rp h a s e e s t i m a t i o na l g o r i t h mc o m b i n e do fK - P S Oa n dG r i da n dD e n s i t y - b a s e dC l u s t e r i n g A f t e rf i n i s ht ob u i l do u ru n i v e r s i t y e x p e r i m e n t a lp l a t f o r mo fo p t i c a lc o m m u n i c a t i o n a n do p t i c a ld e v i c e s ，w ec a np e r f o r mb a c k - t o - b a c ke x p e r i m e n t I nt h i sp a p e r , t h e p r o p o s i n go fn e wa l g o r i t h mi st h ea n t i c i p a t e de f f e c to fu s i n gt h et e a c h i n gb a s e K E Y W O R D S ：10 0 G b p sD P - Q P S K , C o h e r e n t o p t i c a lt r a n s m i s s i o n ，o p t i c a l c o m m u n i c a t i o na n do p t i c a ld e v i c e s ，P h a s ee s t i m a t i o na l g o r i t h m ，P h a s ee s t i m a t i o n a l g o r i t h m ，G r i da n dD e n s i t y - b a s e dC l u s t e r i n gA l g o r i t h m C I A S S N O ：T N 9 13 7 V 北京交通大學碩士學位論文 目錄 目錄 中文摘要i i i A B S T R A C T i v 1 緒論1 1 1 光通信系統(tǒng)發(fā)展及現(xiàn)狀1 1 1 1 光通信系統(tǒng)發(fā)展簡介1 1 1 2 超高速光傳輸系統(tǒng)介紹3 1 21 0 0 G b p s 關(guān)鍵技術(shù)5 1 2 1D P Q P S K 系統(tǒng)簡介5 1 2 21 0 0 G b p s 系統(tǒng)性能分析6 1 3 論文的主要研究內(nèi)容和結(jié)構(gòu)安排7 21 0 0 G b p s D P - Q P S K 相干光傳輸系統(tǒng)9 2 1 主要技術(shù)原理介紹9 2 1 1Q P S K 碼型調(diào)制與解調(diào)9 2 1 2 偏振復(fù)用原理lO 2 1 3 相干檢測1 1 2 1 4D S P 處理單元1 3 2 21 0 0 G b p s D P Q P S K 系統(tǒng)建模1 4 2 2 1 發(fā)射端1 5 2 2 2 傳輸鏈路19 2 2 3 接收端2 3 2 3 建模仿真一2 6 2 4 本章小結(jié)2 8 31 0 0 G b p s 光傳輸系統(tǒng)設(shè)備采購2 9 3 1 通信工程特色專業(yè)實驗教學基地介紹2 9 3 1 1 建設(shè)光通信與光器件實驗平臺的重要性2 9 3 1 2 建設(shè)光通信與光器件實驗平臺設(shè)備采購原則3 0 3 210 0 G p s 超高速光傳輸系統(tǒng)建設(shè)解決方案3 0 3 2 1 發(fā)射端3 1 3 2 2 傳輸鏈路3 2 3 2 3 接收端3 3 3 3 設(shè)備介紹一3 4 3 3 1D Q P S K 光調(diào)制器3 4 北京交通大學碩士學位論文目錄 3 3 21 ：4 功分器3 5 3 3 34 ：1 復(fù)用器_ 3 6 3 3 41 ：4 解復(fù)用器。3 7 3 4 總結(jié)3 8 4 載波恢復(fù)3 9 4 1 載波頻偏估計算法一4 0 4 1 1M 次方頻偏估計算法4 0 4 1 2 其他頻偏估計算法4 1 4 1 3 頻偏補償結(jié)構(gòu)4 2 4 2 載波相位估計算法4 2 4 2 1V i t e r b i V i t e r b i 相位估計算法4 3 4 2 2Q P S K 劃分算法4 4 4 2 3 相位盲掃法4 6 4 3 總結(jié)一4 7 5 基于粒子群算法的載波相位估計4 9 5 1 粒子群算法介紹o 4 9 5 2 基于改進的粒子群算法的載波相位估計5 1 5 3 仿真分析5 3 5 4 總結(jié)5 5 6 結(jié)論和展望5 7 6 1 本文工作總結(jié)5 7 6 2 后續(xù)研究及展望5 8 參考文獻6 0 作者簡歷6 2 獨創(chuàng)性聲明6 3 學位論文數(shù)據(jù)集6 4 北京交通大學碩士學位論文緒論 1 緒論 在當今社會中，例如微信、手機視頻等，這些以移動視頻、語音為代表的寬 帶業(yè)務(wù)已經(jīng)得到了迅猛發(fā)展，而又像I P R A N 、物聯(lián)網(wǎng)和云計算等技術(shù)的興起，都 給目前日益嚴峻的帶寬帶來了挑戰(zhàn)【l 】【2 1 。當前，已部署的1 0 G b p s 、4 0 G b p s 傳輸網(wǎng) 絡(luò)不能滿足來自不同領(lǐng)域新型技術(shù)與應(yīng)用的帶寬要求，自然的1 0 0 G b p s 網(wǎng)絡(luò)進入 了各大運營商和實驗室的視野，實現(xiàn)單波長信道1 0 0 G p b s 信號傳輸，為超大容量 的D W D M ( 密集波分復(fù)用) 光傳輸網(wǎng)提供技術(shù)基礎(chǔ)，對信息網(wǎng)的建設(shè)具有重大 意義。 1 1 光通信系統(tǒng)發(fā)展及現(xiàn)狀 上世紀六十年代光纖之父高錕預(yù)言光纖可作為載波用于通信以來，已經(jīng) 過去了半個世紀，光纖傳輸?shù)陌l(fā)展，從科研到商用歷經(jīng)了5 0 多年，并取得了重大 的突破和成就。本節(jié)從光纖通信的發(fā)展歷史說起，引出超高速光傳輸系統(tǒng)【3 1 。 1 1 1 光通信系統(tǒng)發(fā)展簡介 跳過最初的科研階段，第一代光通信系統(tǒng)商用化是在上世紀8 0 年代初期，鋪 設(shè)的光纖為多模光纖，工作于8 0 0 n m ，即第一窗口( 該窗口損耗和色散都較高) ， 傳輸速率可達4 5 M b p s ；第二代光通信系統(tǒng)出現(xiàn)在8 0 年代中后期，鋪設(shè)的光纖包 括多模光纖和單模光纖，工作波長移動到1 3 1 0 n m ，即第二窗口( 該窗口有最低 的色度色散，幾乎為零) ，傳輸速率可達1 7 G b p s ，無中繼傳輸距離為5 0 k m 左右； 第三代光通信系統(tǒng)于上世紀9 0 年代實現(xiàn)商用化，鋪設(shè)的光纖為單模光纖，工作波 長再次增加，移動到了1 5 5 0 n m ，即第三窗口( 該窗口雖然色度色散不為零，但 卻有最小的損耗) ，傳輸速率提高到了2 5 G b p s ，無中繼傳輸距離也進一步提高到 了7 0 k m 左右。色散位移光纖( D S F ，將零色散點從1 3 1 0 n m 移動到1 5 5 0 n m ) ，是 第三代光纖通信系統(tǒng)中一項重要技術(shù)成就，有效的解決了15 5 0 n m 光通信系統(tǒng)中 的色度色散問題5 1 。 隨著光器件工藝的不斷進步，尤其是光源從發(fā)光二極管到半導體激光器的發(fā) 展，使得光纖通信系統(tǒng)的容量大大增加。光放大器的迅猛發(fā)展是光纖通信的另一 個革命，它節(jié)省了光通信傳輸中的中繼過程( 光電轉(zhuǎn)換、電放大、電光轉(zhuǎn)換過程) ， 北京交通大學碩士學位論文緒論 而且實現(xiàn)了速率、波長和調(diào)制方式都透明的光信號放大機制，從而誕生了采用 W D M ( 波分復(fù)用) 技術(shù)的新一代光纖系統(tǒng)。 波分復(fù)用技術(shù)的發(fā)展迫使科學家、工程師不得不面對光纖的非線性效應(yīng)。于 是提出了非零色散位移光纖，主要包括：大有效面積光纖、低色散斜率光纖和反 常色散光纖。圖1 1 可以大體表示光纖技術(shù)的發(fā)展歷程。 7 一一、 圖1 1 光纖技術(shù)的發(fā)展過程一 F i g 1 1D e v e l o p m e n to fo p t i c a lf i b e rt e c h n o l o g y 到了二十一世紀，作為光器件發(fā)展和光系統(tǒng)飛速演進的結(jié)果，光通信系統(tǒng)的 傳輸容量從M b p s 級發(fā)展到T b p s 級，提高了近1 0 萬倍，如圖1 2 所示。圖1 2 很 清晰的顯示了，在將波分復(fù)用技術(shù)應(yīng)用到光通信系統(tǒng)后，改變了其容量的增長方 式，突破了所謂的電子瓶頸。 橫坐標：年 縱坐標：b i t s 0 0 + 圖1 2 光通信系統(tǒng)發(fā)展 F i g 1 2D e v e l o p m e n to fo p t i c a lc o m m u n i c a t i o ns y s t e m 2 北京交通大學碩士學位論文緒論 從二十一世紀到現(xiàn)在短短十幾年的發(fā)展，光通信網(wǎng)絡(luò)即將邁入單信道1 0 0 G 商用化階段，2 0 1 3 年即將成為中國光通信1 0 0 G 商用元年，在今年中國電信和中 國移動都對1 0 0 G 光通信做了批量部署。中國電信F T T H 已覆蓋9 0 0 0 萬戶家庭， 國內(nèi)占比達7 0 。從國際來看，市場研究公司R V A L L C ，2 0 1 3 年l O 月在北美F 唧 大會上公布，北美F T T H 用戶數(shù)突破1 0 0 0 萬，在9 月份美國F T T H 網(wǎng)絡(luò)的平均開 通率達到了4 5 8 ，而且這個指標也在一直增長【6 】【I ”。以上所有數(shù)據(jù)跡象都表明， 提升D W D M 的傳輸容量是不可避免的，亦是未來發(fā)展的趨勢，對國家通信基礎(chǔ) 設(shè)施建設(shè)具有重大意義。 1 1 2 超高速光傳輸系統(tǒng)介紹 在1 1 1 節(jié)中概述了光纖通信的發(fā)展，以及高速光傳輸系統(tǒng)的現(xiàn)網(wǎng)部署情況， 不難看出，提高傳輸容量是當務(wù)之急。 W D M 的傳輸速率= 波長通道數(shù)波長通道傳輸比特率 ( 1 1 ) 根據(jù)式( 1 一1 ) 所示，要想提高W D M 的傳輸容量，有兩個途徑。第一是增加通 道的復(fù)用數(shù)量，第二是增大單波長通道傳輸比特率，即單信道容量，或者兩種途 徑并舉。但是，這兩種途徑的施行，將遭遇一些富有挑戰(zhàn)性的難題【8 】。 傳輸距離與傳輸容量是兩個相互制約的概念，一方面當通信系統(tǒng)的通道數(shù)增 加時將導致單個信道功率的下降，進一步導致通信系統(tǒng)的信噪比下降，這就需要 另外引入長距離傳輸技術(shù)來提高系統(tǒng)性能。而另一方面當通信系統(tǒng)的通道數(shù)不變， 為實現(xiàn)傳輸容量的增加，需要提高單信道的容量，從而引起單信道功率的增加， 這會導致非線性效應(yīng)的增加，同樣的，這就需要另外引入非線性抑制技術(shù)。 其中，增加W D M 系統(tǒng)的復(fù)用通道數(shù)也有兩種方法，第一是增大使用的波長 范圍，目前光傳輸系統(tǒng)多在C 波段，若要繼續(xù)增大波長范圍，就需要將傳輸信號 復(fù)用到L 波段，如圖1 3 所示。第二是減小各個光單信道間的頻率間隔，目前商 用系統(tǒng)最新標準中的頻率間隔是5 0 G H z ，若要減d , N2 5 G H z 、1 2 5 G H z ，就需要 傳輸信號通過帶寬更窄的光復(fù)用器和解復(fù)用器，從而加大了相鄰信道間的干擾， 對系統(tǒng)性能有很大影響。而且以上兩種方法都對商用化有很大的挑戰(zhàn)，不僅大大 增加了網(wǎng)絡(luò)升級的復(fù)雜度，還加大了網(wǎng)絡(luò)的維護成本。所以通過增加系統(tǒng)的通道 數(shù)來加大傳輸容量的途徑被各大實驗室和運營商所摒棄，而把目光都聚焦在了增 加單信道速率這一途徑上來。 北京交通大學碩士學位論文 緒論 8 5 01 2 6 0 1 3 6 01 3 6 5 1 5 2 51 5 3 0 1 5 6 21 5 7 0 1 6 0 4 ( n m ) 圖1 3 光纖通信窗口 F i g 1 3W i n d o wo fo p t i c a lf i b e rc o m m u n i c a t i o n 中國三大運營商中，中國電信和中國聯(lián)通在省際、省內(nèi)干線和一些城域網(wǎng)都 大規(guī)模部署了4 0 G b p s W D M 系統(tǒng)，并已經(jīng)穩(wěn)定運行多年。而中國移動經(jīng)過去年的 1 0 0 G b p s 測試驗證和現(xiàn)網(wǎng)試點，選擇跨過4 0 G b p s ，直接部署1 0 0 C b p s 的策略。雖 然2 0 1 3 年是中國1 0 0 G b p s 元年，1 0 0 G b p s 系統(tǒng)開始大規(guī)模商用和部署，但是 1 0 0 G b p s 仍面臨著許多后續(xù)問題。 與1 0 G b p s 、4 0 G b p s 低速光傳輸系統(tǒng)相比，隨著速率的提高，系統(tǒng)對C D ( 色 度色散) ，P M D ( 偏振模色散) 、O S N R ( 光信噪比) 和非線性的容忍度急劇下降。 1 0 G b p s 信號采用N R Z ( 不歸零編碼) 調(diào)制，若1 0 0 G b p s 信號仍采用該種調(diào)制方 式，那么它的O S N R 就要比1 0 G b p s 系統(tǒng)增加1 0 d B ，這就需要更高的抑噪技術(shù)， 例如：更精準的F E C 技術(shù)( 前向糾錯技術(shù)) 或干擾系數(shù)更低的放大技術(shù)等，目前 高速率的光傳輸系統(tǒng)主流的調(diào)制方式是D P Q P S K ( D u a l P o l a r i z a t i o n Q u a d r a t u r e P h a s eS h i f tK e y i n g 偏振復(fù)用正交相移鍵控) 調(diào)制方式。在C D 方面，1 0 0 G b p s 信 號的色散容限相比于1 0 G b p s 信號降低了1 0 0 倍，所以更加精密的色散補償技術(shù) 是必不可少的。P M D 同C D 一樣，更高的速率迫使P M D 造成的信號脈沖展寬現(xiàn) 象更加明顯，1 0 0 G p b s 信號頻譜展寬比1 0 G p b s 信號大了1 0 倍，如何使其滿足當 前主流的5 0 G H z 間隔波長的波分復(fù)用也是一大難題。通過近幾年的不斷研究，尤 其是高速A D C ( 數(shù)模轉(zhuǎn)換) 和D S P ( 數(shù)字信號處理) 技術(shù)的突破性進步，使得相 干光檢測技術(shù)得到了廣泛關(guān)注和應(yīng)用。一方面，通過相干檢測技術(shù)提高了系統(tǒng)的 O S N R 靈敏度，而且完整的保留了光載波所攜帶的信息( 振幅、相位、頻率、偏 振態(tài)等) ，最重要的是相干檢測技術(shù)支持多進制調(diào)制技術(shù)，不僅提高了頻譜利用率， 還降低了系統(tǒng)傳輸?shù)姆査俾省Ａ硪环矫?，D S P 算法將光域的復(fù)雜性問題轉(zhuǎn)移到 電域解決，包括補償光信號在傳輸中的C D 、P M D 、載波頻偏、相偏等問題，這 樣就降低了系統(tǒng)對光鏈路、光器件的依賴度，有利于系統(tǒng)升級和系統(tǒng)優(yōu)化。目前 4 北京交通大學碩士學位論文 緒論 大規(guī)模鋪設(shè)的1 0 0 G b p s 系統(tǒng)，都采用相干檢測和D S P 處理技術(shù)，基本可以完成傳 輸任務(wù)，但后續(xù)技術(shù)的完善和研究仍是必不可少t g j 。 1 21 0 0 G b p s 關(guān)鍵技術(shù) 1 0 0 G b p s 技術(shù)的發(fā)展和網(wǎng)絡(luò)的鋪設(shè)，借鑒了4 0 G b p s 升級時的經(jīng)驗，避免了各 種技術(shù)溢出、標準百花齊放的局面。采用正交相移鍵控( Q P S K ) 調(diào)制、偏振復(fù) 用、D S P 相干接收的系統(tǒng)流程是業(yè)界公認的統(tǒng)一方案【l o J 。 1 2 1D P Q P S K 系統(tǒng)簡介 如圖1 4 所示，D P Q P S K 發(fā)射機結(jié)構(gòu)簡單，待發(fā)數(shù)據(jù)被分成四路，分別進入 兩個Q P S K 調(diào)制器，得到的兩個Q P S K 信號通過偏振合波器進行極化偏振合成， 得到D P Q P S K 信號。該發(fā)射端沒有其他高復(fù)雜度模塊( 例如D S P 和D A C 等模 塊) ，所以基于D P Q P S K 發(fā)生機的硬件復(fù)雜度較低，易于實現(xiàn)。 接收_ 發(fā)送 圖1 4D P Q P S K 發(fā)射端示意圖 F i g 1 4S c h e m a t i cd i a g r a mo ft h et r a n s m i t t e ro fD P - Q P S K 圖1 5D P Q P S K 接收端示意圖 F i g 1 5S c h e m a t i cd i a g r a mo ft h er e c e i v e ro fD P Q P S K 5 北京交通大學碩士學位論文 緒論 如圖1 5 所示，在D P Q P S K 系統(tǒng)接收端，采用相干檢測和D S P 技術(shù)。接收 到的信號是D P - Q P S K 信號，經(jīng)過偏振分束器后得到兩路Q P S K 信號，分別與本 振激光進行9 0 0 混頻，完成光電轉(zhuǎn)換，最后在電域進行A D C 采樣和D S P 處理。 1 2 21 0 0 G b p s 系統(tǒng)性能分析 1 0 0 G b p s 的關(guān)鍵技術(shù)包括D P Q P S K 調(diào)制技術(shù)、相干檢測技術(shù)和D S P 處理技 術(shù)等，而系統(tǒng)性能的優(yōu)劣主要體現(xiàn)在C D 、P M D 容限、O N S R 和非線性效應(yīng)上面 【1 1 】 一2 5 G b p 一2 5 G b p 一2 5 G b p 一2 5 G b p 5 0 G b p s 5 0 G b p s 圖1 6D P Q P S K 波特率說明 F i g 1 6I l l u s t r a t i o no fB a u dr a t eo fD P Q P S K C D 、P M D 容限解決途徑主要有兩種，一是在電域進行處理，進行色散的均 衡等工作，而D S P 處理技術(shù)可以很好的解決這問題。二是采用多級調(diào)制，來間 接提高色散容限，如圖1 6 所示，可以看出10 0 G b p s D P Q P S K 信號碼率為4 b i t 符 號，大大降低了系統(tǒng)傳輸?shù)姆査俾?。除此之外，系統(tǒng)在接收端采用相干檢測技 術(shù)，可使差分群時延最大值達到7 5 p s 左右，比采用直接檢測多出6 5 p s 。 表1 11 0 0 G b p s 調(diào)制碼型O S N R 比較 T a b l e1 1O S N Rc o m p a r i s o nb e t w e e n10 0 G b p sm o d u l a t i o nf o r m a t s 帶寬 O S N R G 也d B O O K 1 0 7 0 1 6 3 D Q P S K 5 3 51 4 3 l P B P S K1 0 7 01 1 8 1 P Q P S K 5 3 51 1 8 1 P 1 6 Q A M 2 6 ，81 5 ，4 l P 8 P S K3 5 71 4 9 2 P B P S K5 3 51 1 8 2 P Q P S K 2 6 81 1 8 2 P 1 6 Q A M 1 3 41 5 4 北京交通大學碩士學位論文 緒論 I 鯊嬰堅I! ! ：! 蘭：! O S N R 容限是1 0 0 G p b s 系統(tǒng)性能指標的一個重要參數(shù)。在相同調(diào)制格式下， 1 0 0 G b p s 系統(tǒng)的O S N R 容限比4 0 G b p s 系統(tǒng)要求更高，這對于系統(tǒng)的科研和現(xiàn)網(wǎng) 鋪設(shè)都有很大的挑戰(zhàn)。如表1 1 所示( 注1 P 表示單個偏振態(tài)，2 P 表示偏振復(fù)用) ， 采用不同調(diào)制格式，1 0 0 G b p s 的O S N R 容限的差異很大，不過需要一提的是，相 干接收可以顯著提高O S N R 容限( 1 - 2 d B 以上) 。另外，由于不同情況采用不同的 參考定義和參數(shù)，表中具體的容限值僅具有參考意義。 10 0 G b p s 系統(tǒng)由于采用D P Q P S K 調(diào)制方式，所以其非線性效應(yīng)不僅包括S P M ( 自相位調(diào)制) 和X P M ( 交叉相位調(diào)制) ，還包括偏振態(tài)變化所引起的非線性效 應(yīng)，例如光纖雙折射變化等。所以1 0 0 G b p s 的非線性容限相對于4 0 G b p s 要高一 些。 從上述可見，1 0 0 G b p s 系統(tǒng)對C D 、P M D 容限，O S N R 容限，非線性容限都 有了新的要求，如何滿足新系統(tǒng)的需求，是目前各大運營商大規(guī)模鋪設(shè)1 0 0 G b p s 系統(tǒng)面對的最大挑戰(zhàn)和阻礙。雖然國內(nèi)目前1 0 0 G b p s 設(shè)備基本成熟，但是關(guān)鍵的 芯片技術(shù)主要依賴進口( 如調(diào)制器、A D C 、D S P 處理芯片等) 。根據(jù)2 0 1 3 年O F C ( O p t i c a lF i b r eC o m m u n i c a t i o n 美國光纖通訊展覽會及研討會) 提供的數(shù)據(jù)來看， 1 0 0 G b p s 相關(guān)芯片和器件的生產(chǎn)已被越來越多的廠商重視，這為1 0 0 G b p s 技術(shù)水 平的整體提高奠定了基礎(chǔ)。但是受到目前技術(shù)現(xiàn)狀的影響，1 0 0 G b p s 設(shè)備的整體 集成度較低，功耗較高。所以，更先進的、更具有技術(shù)含量的新一代1 0 0 G b p s 系 統(tǒng)設(shè)備芯片有待繼續(xù)研發(fā)。 1 3 論文的主要研究內(nèi)容和結(jié)構(gòu)安排 根據(jù)目前社會市場上1 0 0 G b p s 高速光傳輸系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀，針對國家級通 信工程特色專業(yè)實驗教學平臺的建設(shè)要求，本文對1 0 0 G b p s D P Q P S K 相干光傳 輸系統(tǒng)進行了研究、建模和仿真，提出了實驗室搭建該系統(tǒng)的解決方案，并介 紹了主要的采購儀器，在第四章介紹了載波恢復(fù)的相關(guān)算法，在第五章提出了 一種符合當前通信網(wǎng)發(fā)展方向的新算法。 第一章緒論，從光通信系統(tǒng)的發(fā)展歷史和目前通信市場上超高速傳輸系統(tǒng) 的發(fā)展現(xiàn)狀為角度進行了簡單介紹，并從1 0 0 G b p s 光傳輸系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)和采 用不同調(diào)制方式的系統(tǒng)性能兩方面進行了簡單的分析，最后提出了論文的主要 研究內(nèi)容和結(jié)構(gòu)安排。 第二章1 0 0 G b p s D P Q P S K 相干光傳輸系統(tǒng)，主要從技術(shù)原理和1 0 0 G b p s 北京交通大學碩士學位論文 緒論 D P Q P S K 系統(tǒng)建模兩方面對該系統(tǒng)進行介紹和分析。其中技術(shù)原理從Q P S K 碼 型的調(diào)制解調(diào)、偏振復(fù)用原理、相干檢測和D S P 處理單元四部分介紹，1 0 0 G b p s D P Q P S K 系統(tǒng)建模分別從發(fā)射端建模、傳輸鏈路建模和接收端建模進行闡述。 第三章1 0 0 G b p s 光傳輸系統(tǒng)設(shè)備采購，首先對我校國家級通信工程特色專業(yè) 實驗教學平臺的建設(shè)做了簡單介紹，從建設(shè)的重要性和設(shè)備采購原則兩個角度進 行闡述。然后從發(fā)射端、傳輸鏈路和接收端三個方面提出該系統(tǒng)搭建的解決方案， 并對主要購買設(shè)備進行簡單介紹。 第四章載波恢復(fù)，載波恢復(fù)是D S P 處理單元中重要的組成部分，在本章中， 從載波頻偏估計算法和載波相位估計算法兩方面進行闡述。載波頻偏估計算法重 點介紹了M 次方頻偏估計算法，載波相位估計算法例舉了三個最主流的算法： V i t e r b i V i t e r b i 相位估計算法、Q P S K 劃分算法和相位盲掃法。 第五章基于粒子群算法的載波相位估計，在本章中，首先介紹了在隨機數(shù)據(jù) 處理方面應(yīng)用廣泛的粒子群算法( P S O ) ，然后在P S O 算法基礎(chǔ)上提出了一種改 進的載波相位估計自適應(yīng)迭代算法( K P S O ) ，最后用M a t l a b 軟件對該算法進行 仿真，分析該算法的性能、優(yōu)缺點等。 第六章對本論文的工作進行了總結(jié)，并對后續(xù)工作進行展望，簡單提出了一 種K - P S O 與基于網(wǎng)格密度的聚類相結(jié)合的載波相位估計算法。 北京交通大學碩士學位論文 1 0 0 G b p s D P - Q P S K 相干光傳輸系統(tǒng) 210 0 G b p s D P Q P S K 相干光傳輸系統(tǒng) 2 1 主要技術(shù)原理介紹 1 0 0 G b p s D P - Q P S K 相干光傳輸系統(tǒng)的主要技術(shù)包括，Q P S K 碼型調(diào)制、偏振 復(fù)用技術(shù)、接收端的相干檢測技術(shù)及D P S 處理技術(shù)。 2 1 1Q P S K 碼型調(diào)制與解調(diào) Q P S K 碼型調(diào)制是通信信號中最常用的調(diào)制方式，主要是因為Q P S K 信號具 有較高的頻譜利用率和較高的抗干擾能力，尤其在無線通信中，Q P S K 調(diào)制方式 已經(jīng)占據(jù)了主導地位【1 2 】【1 3 】。 Q P S K ，即正交相移鍵控，將傳輸信息存放于載波相位中。如圖2 1 所示，為 Q P S K 調(diào)制示意圖，先將輸入的二進制數(shù)據(jù)進行極性N R Z 編碼，然后進行串并轉(zhuǎn) 換，分別與兩路正交載波相乘，最后通過相加電路后得到輸出信號。 c o s ( z g I , 垮 j 一塞淑2 旗妁 圖2 1Q P S K