第 1 章   緒論 

1.1   論文的研究背景及意義 
進入 21 世紀以來，信息技術飛速發(fā)展，人類的生活和經(jīng)濟也隨之發(fā)生了前所未有的改變。從塞班系統(tǒng)到安卓系統(tǒng)，從閉路電視到小衛(wèi)星再到現(xiàn)在的網(wǎng)絡電視，還有即將進入人們生活的物聯(lián)網(wǎng)[1]等等，無時無刻都在讓人類的生活越來越便捷。2015 年 3 月，李克強總理在政府工作報告中提處出要制定“互聯(lián)網(wǎng)+”行動計劃，推動移動互聯(lián)網(wǎng)、云計算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)等與現(xiàn)代制造業(yè)結合[2]。一時之間，這些詞成為人們討論的熱點。 OFweek 光通訊網(wǎng)在 2013 年出版了一篇報道[3]，稱隨著互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，網(wǎng)絡帶寬、互聯(lián)網(wǎng)用戶數(shù)以及互聯(lián)網(wǎng)應用種類等都呈現(xiàn)出爆炸式的增長，尤其互聯(lián)網(wǎng)應用的點到點技術、在線視頻、移動互連等流媒體業(yè)務正在快速的吞噬著網(wǎng)絡帶寬。與此同時，云計算快速進入人類的生活領域，具有超級數(shù)據(jù)中心的云網(wǎng)絡對帶寬的需求更加迫切。2011 年 3 月，IEEE  802.3 成立了帶寬評估工作組，負責對網(wǎng)絡帶寬需求和端口速率趨勢進行詳實的分析，旨在探索 Beyond 100G 時代人類對互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務的需求趨勢以及網(wǎng)絡流量的發(fā)展趨勢，如圖 1.1 所示。由圖可知，今年已經(jīng)增加到 10 倍，到 2020 年網(wǎng)絡流量將增加 100 倍。2013 年 3 月，IEEE美國會議正式開啟了 400G 的標準化進程。當前華為，阿爾卡特朗訊，美國訊遠通信 Ciena 公司等光傳輸主流設備供應商均已開始 400G 光傳輸系統(tǒng)產(chǎn)品的研發(fā)[4-5]。但人類對于帶寬的容量遠遠不止這些，在達到 400G 后，以太網(wǎng)速率還會進一步演進到 Tbit/s 量級。 
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1.2   國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 
首先來看模分復用技術，這一概念始于 1982 年，法國學者 S. Berdagué和 P. Facq 在 10m 長的階躍型多模光纖中實現(xiàn)了雙模式信號的傳輸[17]。但當時的技術水平和光纖制造工藝均不支持雙模式傳輸，進而模分復用并沒有被廣泛應用。直到 2010 年，美國中佛羅里達大學的 Faith Yaman、Li Guifang 等人為了減小光纖的非線性效應運用了模場面積大并且耦合小的少模光纖作為傳輸媒介，實現(xiàn)并成功傳輸了 1050km 的光信號[18]。此后少模光纖模分復用技術開始被各大實驗室以及研究機構廣泛研究，其中有阿爾卡特朗訊公司旗下的貝爾實驗室、美國斯坦福大學、日本  NTT  網(wǎng)絡創(chuàng)新實驗室、諾基亞西門子公司、日本東京大學等。一時之間，模分復用掀起了學術界乃至各大權威學術會議的熱潮。 2010  年，美國中佛羅里達大學的  Fatih  Yaman  等人再次采用  10×112Gb/s 速率的 PDM-QPSK  信號成功在少模光纖上傳輸 5032km[19]，為此后研究的人們奠定了有力的基礎。 2011  年日本  NTT  實驗室的  Nobutomo Hanzawa  等人完成 2×10Gb/s 速率的信號在雙模光纖上傳輸  10km  的實驗[20]，在接收端使用直接檢測。 同年，美國阿爾卡特朗訊公司貝爾實驗室的 Sebastian  Randel  等人在 OFC年會上向人們展示了 3  模光纖的偏振復用實驗，速率達到  6×28Gb/s，成功傳輸 10km [21]。 2012  年，美國的阿爾卡特朗訊貝爾實驗室聯(lián)合美國 OFS 公司的  S.Randel 等人利用差分模式時延補償?shù)墓饫w成功的傳輸了 6×20Gb/s 速率的信號，傳輸距離長達 1200km [22]。 2013  年，英國南安普頓大學、德國慕尼黑工業(yè)大學、德國的諾基亞西門子網(wǎng)絡等研究機構，采用美國 OFS  公司研制的少模光纖進行 MDM-8QAM-OFDM 信號的傳輸實驗，速率高達 337.5Gb/s，并且成功傳輸 150km[23]，接收端更是采用了低復雜度的 DSP 算法。 
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第 2 章   模分復用技術概述 

模分復用技術作為一種新興的空分復用技術，是將少模光纖或多模光纖中正交且不同的模式作為獨立信道來承載信息的技術。利用少模光纖中少量但穩(wěn)定的模式進行模分復用，既減小了模間色散，又可以借助不同的正交模式作為獨立信道進行信息傳送，成倍提升系統(tǒng)傳輸容量。模分復用技術在研究階段，并沒有商用，因此還有很多問題需要商榷。本章將著重介紹模分復用系統(tǒng)的基礎架構和它的關鍵技術。 

2.1   模分復用系統(tǒng)構成 
模分復用系統(tǒng)分為三部分，發(fā)送端、傳輸鏈路和接收端，首先發(fā)送端將電域信號調(diào)制到 Mach-Zehnder 調(diào)制器上轉(zhuǎn)化為光信號；然后將多路模分復用信號送入少模光纖中進行傳輸，模式耦合就發(fā)生在少模光纖內(nèi)，隨機且不定時；其次在接收端將混合并且有其它損傷的信號進行相干接收，其中不同模式的信號也會在這里由模式解復用器分開；最后將接收到的信號送入 DSP 信號處理單元，經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換、色散補償、偏振模色散補償、模式解耦合等處理，得到源信號。圖2.1 為模分復用系統(tǒng)的典型框圖。人們比較熟悉的光纖有兩種，單模光纖和多模光纖[41]。單模光纖作為新一代通信媒質(zhì)被廣泛應用于長距離大容量傳輸系統(tǒng)，而多模光纖由于包含的模式過多，其固有的模間色散相對嚴重，大大限制了多模光纖的應用領域。因此少模光纖應運而生。少模光纖的模式數(shù)介于多模光纖和單模光纖之間，在模分復用技術中則使用少量的相對穩(wěn)定的模式來進行復用，不僅可以減少模式之間的模間色散，又能使用正交的模式作為獨立的通信信道來傳送信息，成倍的提升了系統(tǒng)的傳輸容量。  
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2.2   模分復用系統(tǒng)的理論模型

根據(jù)少模光纖的傳輸特性，我們將使用 VPI Transmission Maker8.7 仿真平臺對少模光纖進行建模，由于該仿真平臺中還沒有少模光纖的模塊，只能用單模光纖來代替。首先我們使用 Mode solver 軟件對 LP01模和 LP11模進行仿真求解，得出其不同的性能參數(shù)，然后在 VPI 中將兩根獨立的單模光纖進行參數(shù)的設置，使之在性能參數(shù)上與 LP01模和 LP11模一致。LP01模和 LP11模的具體參數(shù)如表 2.1所示：為了模擬光纖鏈路中的隨時隨機性耦合，我們將光纖分段，如果將光纖分成無數(shù)段，那么將完全符合光纖鏈路的隨時耦合特性。但為了計算方便，文中設置的光纖總長為 100km，分成五段，每段為 20km。本文所建立的少模光纖的傳輸鏈路模型如圖 2.4 所示：  

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第 3 章   高維調(diào)制技術......... 21 
3.1   高維調(diào)制的基礎知識及實現(xiàn)方法 ...... 21
3.2   高維調(diào)制的星座點選取 ........ 26 
3.2.1   星座點的隨機選取 ....... 26 
3.2.2   星座點的距離選取 ....... 27 
3.3   高維調(diào)制的映射技術 ..... 27 
3.3.1   概率映射 ......... 28 
3.3.2   距離映射 ......... 28 
3.4   高維系統(tǒng)的理論模型 ..... 29 
3.5   本章小結 .......... 30 
第 4 章   高維調(diào)制的模分復用系統(tǒng)傳輸特性 ........ 33 
4.1   高維調(diào)制的模分復用系統(tǒng)建立 .......... 33 
4.2   理想的高維調(diào)制模分復用系統(tǒng)傳輸 ......... 34 
4.3   高維調(diào)制的模分復用系統(tǒng)的傳輸特性 ...... 36 
4.3.1   光信噪比對系統(tǒng)的傳輸性能影響分析 .... 36 
4.3.2   距離對系統(tǒng)的傳輸性能影響分析 ..... 37 
4.3.3   模式耦合對系統(tǒng)的傳輸性能影響分析 .... 38 
4.4   本章小結 .......... 39 
第 5 章   高維調(diào)制的模分復用系統(tǒng)的均衡技術 ..... 41 
5.1   高維調(diào)制的模分復用系統(tǒng)色散補償技術 ......... 41 
5.2   高維調(diào)制的模分復用系統(tǒng)偏振模色散補償技術 .... 43 
5.3   高維調(diào)制的模分復用系統(tǒng)模式解復用技術 ..... 46 
5.4   本章小結 .......... 49 

第 5 章   高維調(diào)制的模分復用系統(tǒng)的均衡技術 

基于高維調(diào)制的模分復用系統(tǒng)在系統(tǒng)的傳輸容量上是無限擴充的，在大容量長距離傳輸中高維調(diào)制和模分復用均起到了至關重要的作用，但是在具體的實施中，色散、偏振模色散以及模式耦合都是無法避免的，所以針對上面所提到的三項損傷必須找到相應的算法來彌補。本章將分別針對以上三項損傷提出相應的算法來處理信號，并能達到良好的效果。 

5.1   高維調(diào)制的模分復用系統(tǒng)色散補償技術 
色度色散屬于線性損傷并且隨時間的變化率不是很大。色散均衡技術一般包括時域均衡技術和頻域均衡技術兩種，其原理示意圖見圖 5.1。直接探測系統(tǒng)中，對色散的補償大多使用時域均衡法或其他方法。由于本文傳輸?shù)拇a型和模分復用系統(tǒng)的結構選擇的是相干接收系統(tǒng),所以我們采用頻域均衡對色散進行補償。這樣既可以避免時域均衡中要浪費大量的時間去初始化抽頭系數(shù)，而且將大量的光纖色散積累到最后抑制了信道傳輸過程中的非線性效應，提高了整個程序的執(zhí)行速率。目前基于高維調(diào)制的模分復用系統(tǒng)色散補償技術處于起步階段，并沒有很成熟，論文中也很少提到，有人也嘗試使用 DD-LMS 算法對色散進行均衡補償。在本文建立系統(tǒng)的過程中，考慮到信號是由電信號變?yōu)楣庑盘柕模以诠庥蛐盘柺欠謩e傳輸在 X、Y 偏振態(tài)以及 I、Q 四個維度上的，我們暫且可以把它當作是兩個復用的 QPSK 信號，使用頻域均衡的辦法將其進行色散補償處理。 下面將給出傳輸速率為 56Gbits，其他影響因素為 0，色散分別為 16ps/nm/km和 15ps/nm/km 情況下兩模式中傳輸?shù)母呔S信號在色散補償前后的眼圖比較，如圖 5.2 所示。 由圖 5.2 可知，頻域色散均衡算法能很好的彌補色散帶來的損傷，在未補償之前兩模式的信號眼睛張開度均為 0，補償之后，眼睛清晰可見，電平值也只需要判決之后就和源信息碼元一致。 
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總結 

隨著信息化社會的到來，人們對通信帶寬的要求進一步增加。作為通信系統(tǒng)的主干網(wǎng)絡—光通信網(wǎng)絡的通信容量亟需提高。由于單模光纖自身的非線性效應和放大器的自發(fā)輻射噪聲，長距離大容量的單模光纖傳輸系統(tǒng)已經(jīng)達到了其香農(nóng)極限，但是人類的需求并沒有因此而減少。為了滿足人們的要求，研究者們開始關注模式這一未被利用的自由度。模式最初來源于多模光纖，據(jù)信息論論述，多模光纖中的每一個模式都可以當作是一個通信信道來承載信息，加上多模光纖的成本和端口接收設備成本較低，人們更傾向于用多模光纖來傳輸信息。但是多模光纖中的模式較多，因而會有嚴重的模間色散，這導致多模光纖的傳輸性能嚴重下降。少模光纖便應運而生。少模光纖,  顧名思義,  就是相對于單模光纖模式多，但相對于多模光纖模式又少的光纖，，并且少模光纖中的光纖穩(wěn)定且正交，模間色散也減弱很多，完全符合光纖信道的要求。與此同時，高維調(diào)制因為其較高的譜效率和漸進功率效率在調(diào)制方式領域內(nèi)脫穎而出，在犧牲較少譜效率的情況下使得其漸近功率效率大大增加，使得傳輸容量和傳輸距離同時達到人們的要求。 本文就模分復用和高維調(diào)制技術相結合做了系統(tǒng)介紹和研究。為了更好的理解模分復用的概念，本文先從模分復用系統(tǒng)的關鍵組成部分出發(fā)簡單介紹了模分復用所需要用的少模光纖，模分復用/解復用器以及基于高維調(diào)制的模分復用系統(tǒng)的損傷；其次從高維信號的產(chǎn)生方法和高維信號的兩個關鍵技術詳細介紹了高維調(diào)制的概念和原理；接著建立了基于高維調(diào)制的模分復用系統(tǒng)的理論模型并進行仿真分析；最后對模分復用系統(tǒng)中色散、偏振模色散以及模式耦合帶來的損傷進行數(shù)字信號處理算法處理。其具體工作如下： 
1.首先給出模分復用系統(tǒng)的原理框圖，接著對模分復用的組成部分做了詳細的介紹：少模光纖，模分復用/解復用器和模式耦合模型。最后對模分復用系統(tǒng)接收端所要用到的信號處理算法做了簡單介紹，主要包括色散補償技術，偏振模色散補償技術和模式解復用技術。 
2.詳細介紹了高維調(diào)制的原理，從它的提出到基本概念做了詳細介紹，然后從他的三個產(chǎn)生方法來分別論述高維信號的產(chǎn)生過程，為以后選擇產(chǎn)生方法做了基礎鋪墊；接著對高維信號兩個關鍵技術：星座點選取技術和比特符號映射技術做了詳細的論述。  
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參考文獻(略)

本文編號：174866