本文關(guān)鍵詞：相干光通信系統(tǒng)中碼型調(diào)制與鎖相環(huán)技術(shù)的研究

  更多相關(guān)文章： 相干光通信 MZM 偏置點(diǎn)控制 高階調(diào)制格式 集成化光發(fā)射機(jī) 光鎖相環(huán)

【摘要】：近年來,隨著信息業(yè)務(wù)量的持續(xù)高速增長,系統(tǒng)的通信容量和通信速率需求不斷提高。目前,100G大規(guī)模商用的進(jìn)程已經(jīng)開始,超100G的技術(shù)也在迫切的研發(fā)當(dāng)中。隨著光器件制作工藝的進(jìn)步,數(shù)據(jù)采集與數(shù)據(jù)處理等芯片制作技術(shù)的發(fā)展,相干光通信重新成為研究熱點(diǎn)。其中,數(shù)字相干光通信是傳送網(wǎng)中100G、超100G等高速光通信技術(shù)的重要支撐。其特點(diǎn)是通過相干接收和數(shù)字信號(hào)處理技術(shù),在電域中完成載波相位恢復(fù)、傳輸損傷補(bǔ)償及信號(hào)的解調(diào)等工作。另外,在無法使用中繼的星空間光通信領(lǐng)域,由于受到系統(tǒng)靈敏度、體積、功耗等因素的嚴(yán)格限制,基于光鎖相環(huán)技術(shù)的模擬相干光通信成為一種有效的解決方案,通過光鎖相環(huán)技術(shù)完成信號(hào)的零差相干檢測(cè),具有較高的系統(tǒng)靈敏度,同時(shí)可有效減小系統(tǒng)的功耗和體積。在相干光通信系統(tǒng)中,發(fā)送端與接收端是兩個(gè)重要的組成部分。在發(fā)送端,通常應(yīng)用馬赫-曾德爾調(diào)制器(MZM)及基于MZM結(jié)構(gòu)的IQ調(diào)制器來實(shí)現(xiàn)各種高階碼型調(diào)制方案,MZM需要偏置點(diǎn)的穩(wěn)定來保持良好的調(diào)制效果,高階碼型調(diào)制技術(shù)是提高系統(tǒng)傳輸容量的重要手段,信號(hào)發(fā)射系統(tǒng)的簡單化與集成化是走向商用的重要前提。在接收端,通過基于DSP技術(shù)的數(shù)字相干接收機(jī)或基于光鎖相環(huán)技術(shù)的模擬相干接收機(jī)完成信號(hào)的接收及解調(diào)工作。這幾項(xiàng)作為相干光通信中的關(guān)鍵技術(shù),具有重要的研究意義。本論文圍繞相干光通信系統(tǒng)中的MZM偏置點(diǎn)穩(wěn)定控制、高階碼型調(diào)制、集成化發(fā)射機(jī)研制、光鎖相環(huán)等幾項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了深入系統(tǒng)的理論和實(shí)驗(yàn)研究,主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)和研究成果包括：1.提出了兩種新型的鈮酸鋰(LiNbO3) MZM偏置點(diǎn)穩(wěn)定控制技術(shù),分別適用于固定點(diǎn)穩(wěn)定控制和任意點(diǎn)穩(wěn)定控制。在固定點(diǎn)穩(wěn)定控制技術(shù)中,監(jiān)測(cè)MZM輸出光信號(hào)的平均光功率斜率值,可以將MZM穩(wěn)定在傳輸特性曲線上四個(gè)固定的工作點(diǎn)位置。在任意點(diǎn)穩(wěn)定控制技術(shù)中,監(jiān)測(cè)抖動(dòng)信號(hào)諧波分量及平均光功率,可以將MZM穩(wěn)定在傳輸特性曲線上的任意工作點(diǎn)位置。兩種方案均適用于多種調(diào)制格式,同時(shí)與輸入光功率波動(dòng)及信號(hào)調(diào)制速率無關(guān)�；谔岢龅腗ZM偏置點(diǎn)穩(wěn)定控制技術(shù),設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了控制算法及反饋控制系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)中測(cè)試了用于反饋控制的關(guān)鍵參量,驗(yàn)證了反饋控制系統(tǒng)的有效性,分別實(shí)現(xiàn)了MZM固定偏置點(diǎn)和任意偏置點(diǎn)的穩(wěn)定控制。在10Gb/sNRZ-OOK背靠背系統(tǒng)測(cè)試中,不進(jìn)行偏置點(diǎn)穩(wěn)定控制,誤碼率會(huì)逐漸惡化,而加入偏置點(diǎn)穩(wěn)定反饋控制,可以使系統(tǒng)誤碼率保持在10-9級(jí)別(測(cè)試時(shí)間10小時(shí)),系統(tǒng)性能穩(wěn)定。2.研究了基于雙驅(qū)動(dòng)MZM (DD-MZM)的高階碼型調(diào)制技術(shù)。從DD-MZM的結(jié)構(gòu)及信號(hào)星座圖特點(diǎn)出發(fā),解析了利用DD-MZM進(jìn)行任意高階信號(hào)調(diào)制的方法。根據(jù)QPSK和16QAM的星座圖結(jié)構(gòu)特點(diǎn),設(shè)計(jì)了基于DD-MZM的調(diào)制方案,通過仿真實(shí)現(xiàn)了的3種QPSK調(diào)制方案,以及方形和星形兩種16QAM調(diào)制方案,分別得到了調(diào)制信號(hào)的波形、眼圖、光譜圖、星座圖,具有良好的調(diào)制性能。該研究有助于擴(kuò)展DD-MZM的應(yīng)用范圍,簡化發(fā)射機(jī)結(jié)構(gòu)。3.對(duì)64QAM信號(hào)產(chǎn)生方案進(jìn)行了系統(tǒng)研究。從64QAM信號(hào)星座圖角度出發(fā),提出了三種星座圖進(jìn)化路線,并給出了相應(yīng)的六種實(shí)現(xiàn)方案。通過仿真分別實(shí)現(xiàn)了64QAM信號(hào)調(diào)制,根據(jù)調(diào)制信號(hào)的眼圖和星座圖分析了不同實(shí)現(xiàn)方案的光信號(hào)特性。最后對(duì)比分析了不同方案的發(fā)射機(jī)復(fù)雜度及優(yōu)缺點(diǎn)。該研究對(duì)于64QAM信號(hào)調(diào)制及發(fā)射機(jī)實(shí)現(xiàn)具有較強(qiáng)的應(yīng)用價(jià)值。4.提出了一種新型的調(diào)制器結(jié)構(gòu),定義為三驅(qū)動(dòng)iQ調(diào)制器。利用該調(diào)制器僅需二電平驅(qū)動(dòng)信號(hào)即可產(chǎn)生64QAM信號(hào),對(duì)電驅(qū)動(dòng)信號(hào)的要求低。從電驅(qū)動(dòng)信號(hào)、眼圖和星座圖等角度與傳統(tǒng)調(diào)制方案進(jìn)行了對(duì)比,測(cè)試了調(diào)制信號(hào)的EVM性能及調(diào)制器的分光比和耦合比對(duì)調(diào)制性能的影響。當(dāng)OSNR大于23dB時(shí),可以將64QAM調(diào)制信號(hào)EVM控制在10%以下,調(diào)制性能良好,通過合理選擇調(diào)制光路,可以產(chǎn)生16QAM, QPSK等調(diào)制信號(hào),具有較高的靈活性。5.完成了三款不同類型的集成化光發(fā)射機(jī)的研制工作,包括集成化強(qiáng)度調(diào)制光發(fā)射機(jī)、集成化DPSK光發(fā)射機(jī)、集成化IQ光發(fā)射機(jī),分別適用于傳輸速率不同的線路。采用一體化解決方案完成了發(fā)射機(jī)總體設(shè)計(jì)和樣機(jī)實(shí)現(xiàn),研發(fā)了發(fā)射機(jī)配套的上層控制軟件,可完成發(fā)射機(jī)的控制參量設(shè)置及工作狀態(tài)監(jiān)測(cè)。對(duì)強(qiáng)度調(diào)制發(fā)射機(jī)和DPSK發(fā)射機(jī)進(jìn)行了速率為10Gbaud的調(diào)制測(cè)試,測(cè)試碼型為OOK、BPSK、DPSK等,完成了信號(hào)的眼圖、光譜圖、星座圖、誤碼率等性能測(cè)試。對(duì)IQ發(fā)射機(jī)進(jìn)行了速率為10Gbaud和22.5Gbaud的QPSK調(diào)制測(cè)試,調(diào)制信號(hào)眼圖睜開良好,星座圖清晰,測(cè)試無誤碼,測(cè)得EVM分別為9%和11%。三款發(fā)射樣機(jī)結(jié)構(gòu)合理,操作便捷,測(cè)試中很好地完成了信號(hào)調(diào)制且表現(xiàn)出良好的性能。6.系統(tǒng)研究了相干光通信系統(tǒng)中的光鎖相環(huán)技術(shù)。提出了一種改進(jìn)的副載波鎖相環(huán)結(jié)構(gòu),該方案以副載波鎖相環(huán)為基礎(chǔ),在鎖相環(huán)帶寬外加入頻差捕獲電路,擴(kuò)大鎖相環(huán)的頻差捕獲范圍,通過對(duì)電壓控振蕩器的調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)本振光與信號(hào)光的快速頻差捕獲和鎖定。根據(jù)改進(jìn)的副載波鎖相環(huán)結(jié)構(gòu),完成了系統(tǒng)中關(guān)鍵模塊的選型及電路設(shè)計(jì)工作,包括激光器、壓控振蕩器、分頻器、數(shù)據(jù)處理模塊、平衡接收機(jī)等。搭建實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行了零差相干光拍頻實(shí)驗(yàn),實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)控制條件下信號(hào)光與本振光的快速頻差捕獲,捕獲時(shí)間小于1s,捕獲范圍為7GHz,捕獲完成后可將信號(hào)光與本振光頻差穩(wěn)定控制在3MHz以內(nèi),系統(tǒng)在捕獲時(shí)間、捕獲范圍和穩(wěn)定性等方面均表現(xiàn)出良好的性能。
【關(guān)鍵詞】：相干光通信 MZM 偏置點(diǎn)控制 高階調(diào)制格式 集成化光發(fā)射機(jī) 光鎖相環(huán)
【學(xué)位授予單位】：北京郵電大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：TN929.1
【目錄】：

• 摘要5-8
• ABSTRACT8-22
• 第一章 緒論22-37
• 1.1 光通信的發(fā)展現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)22-24
• 1.2 相干光通信中的碼型調(diào)制技術(shù)24-27
• 1.3 相干光通信中的鎖相環(huán)技術(shù)27-29
• 1.4 論文研究內(nèi)容與結(jié)構(gòu)安排29-31
• 參考文獻(xiàn)31-37
• 第二章 馬赫-曾德爾調(diào)制器偏置點(diǎn)穩(wěn)定控制研究37-63
• 2.1 馬赫-曾德爾調(diào)制器偏置點(diǎn)穩(wěn)定控制技術(shù)37-41
• 2.1.1 馬赫-曾德爾調(diào)制器原理37-40
• 2.1.2 目前已有的MZM偏置點(diǎn)穩(wěn)定控制技術(shù)40-41
• 2.2 基于平均光功率斜率檢測(cè)的偏置點(diǎn)穩(wěn)定控制技術(shù)41-51
• 2.2.1 理論基礎(chǔ)41-42
• 2.2.2 仿真分析42-44
• 2.2.3 算法設(shè)計(jì)44-45
• 2.2.4 系統(tǒng)設(shè)計(jì)45-46
• 2.2.5 測(cè)試結(jié)果46-51
• 2.3 任意偏置點(diǎn)穩(wěn)定控制技術(shù)51-59
• 2.3.1 理論分析51-53
• 2.3.2 仿真分析53
• 2.3.3 算法設(shè)計(jì)53-55
• 2.3.4 系統(tǒng)設(shè)計(jì)55
• 2.3.5 測(cè)試結(jié)果55-59
• 2.4 本章小結(jié)59-60
• 參考文獻(xiàn)60-63
• 第三章 相干光通信系統(tǒng)中的碼型調(diào)制技術(shù)63-95
• 3.1 碼型調(diào)制技術(shù)概述63-66
• 3.2 基于雙驅(qū)動(dòng)MZM的高階碼型調(diào)制66-79
• 3.2.1 理論分析67-71
• 3.2.2 仿真分析71-79
• 3.3 高階64QAM信號(hào)調(diào)制的研究79-85
• 3.3.1 64QAM發(fā)射機(jī)的方案設(shè)計(jì)79-83
• 3.3.2 64QAM調(diào)制方案仿真研究83-84
• 3.3.3 64QAM調(diào)制方案對(duì)比84-85
• 3.4 集成64QAM調(diào)制器的研究85-91
• 3.4.1 理論分析86-88
• 3.4.2 仿真分析88-91
• 3.5 本章小結(jié)91-92
• 參考文獻(xiàn)92-95
• 第四章 集成化光發(fā)射機(jī)的研究95-124
• 4.1 光發(fā)送端集成化96-97
• 4.2 集成化強(qiáng)度調(diào)制光發(fā)射機(jī)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)97-105
• 4.2.1 設(shè)計(jì)思想和設(shè)計(jì)方案97-98
• 4.2.2 關(guān)鍵器件及樣機(jī)實(shí)現(xiàn)98-101
• 4.2.3 樣機(jī)性能測(cè)試101-105
• 4.3 集成化DPSK光發(fā)射機(jī)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)105-115
• 4.3.1 設(shè)計(jì)思想和設(shè)計(jì)方案106
• 4.3.2 關(guān)鍵器件和樣機(jī)實(shí)現(xiàn)106-109
• 4.3.3 樣機(jī)性能測(cè)試109-115
• 4.4 集成化IQ光發(fā)射機(jī)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)115-122
• 4.4.1 設(shè)計(jì)思想和設(shè)計(jì)方案116-117
• 4.4.2 器件選擇和樣機(jī)實(shí)現(xiàn)117-119
• 4.4.3 樣機(jī)性能測(cè)試119-122
• 4.5 本章小結(jié)122
• 參考文獻(xiàn)122-124
• 第五章 相干光通信系統(tǒng)中的鎖相環(huán)技術(shù)124-154
• 5.1 光鎖相環(huán)概述124-130
• 5.1.1 光鎖相環(huán)的基本結(jié)構(gòu)124-125
• 5.1.2 幾種光鎖相環(huán)結(jié)構(gòu)125-130
• 5.1.3 頻差捕獲概述130
• 5.2 光鎖相環(huán)性能分析130-143
• 5.2.1 平衡鎖相環(huán)130-137
• 5.2.2 科斯塔斯鎖相環(huán)137-140
• 5.2.3 決策驅(qū)動(dòng)鎖相環(huán)140-143
• 5.3 光鎖相環(huán)方案設(shè)計(jì)及仿真143-151
• 5.3.1 基于副載波的光鎖相環(huán)方案143-144
• 5.3.2 基于副載波的光鎖相環(huán)方案原理分析144-147
• 5.3.3 基于副載波的光鎖相環(huán)仿真分析147-151
• 5.4 本章小結(jié)151-152
• 參考文獻(xiàn)152-154
• 第六章 零差相干鎖相實(shí)驗(yàn)研究154-165
• 6.1 零差相干鎖相中用到的關(guān)鍵器件和系統(tǒng)設(shè)計(jì)154-158
• 6.1.1 關(guān)鍵器件154-157
• 6.1.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)157-158
• 6.2 系統(tǒng)關(guān)鍵器件測(cè)試158-160
• 6.2.1 壓控振蕩器測(cè)試158
• 6.2.2 分頻器測(cè)試158-159
• 6.2.3 時(shí)鐘數(shù)據(jù)恢復(fù)模塊測(cè)試159-160
• 6.3 激光器拍頻實(shí)驗(yàn)研究160-164
• 6.3.1 本振光測(cè)試160-161
• 6.3.2 激光器手動(dòng)控制拍頻測(cè)試161-162
• 6.3.3 激光器自動(dòng)控制拍頻測(cè)試162-164
• 6.4 本章小結(jié)164-165
• 第七章 總結(jié)與展望165-168
• 7.1 總結(jié)165-166
• 7.2 展望166-168
• 縮略語168-172
• 致謝172-175
• 攻讀學(xué)位期間發(fā)表的學(xué)術(shù)論文175-176

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本文編號(hào)：693127