發(fā)布時(shí)間：2016-11-14 20:54

第 1 章   緒論 

1.1   論文的研究背景及意義 
進(jìn)入 21 世紀(jì)以來(lái)，信息技術(shù)飛速發(fā)展，人類的生活和經(jīng)濟(jì)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(luò)電視，還有即將進(jìn)入人們生活的物聯(lián)網(wǎng)[1]等等，無(wú)時(shí)無(wú)刻都在讓人類的生活越來(lái)越便捷。2015 年 3 月，李克強(qiáng)總理在政府工作報(bào)告中提處出要制定“互聯(lián)網(wǎng)+”行動(dòng)計(jì)劃，推動(dòng)移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)等與現(xiàn)代制造業(yè)結(jié)合[2]。一時(shí)之間，這些詞成為人們討論的熱點(diǎn)。 OFweek 光通訊網(wǎng)在 2013 年出版了一篇報(bào)道[3]，稱隨著互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)帶寬、互聯(lián)網(wǎng)用戶數(shù)以及互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用種類等都呈現(xiàn)出爆炸式的增長(zhǎng)，尤其互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的點(diǎn)到點(diǎn)技術(shù)、在線視頻、移動(dòng)互連等流媒體業(yè)務(wù)正在快速的吞噬著網(wǎng)絡(luò)帶寬。與此同時(shí)，云計(jì)算快速進(jìn)入人類的生活領(lǐng)域，具有超級(jí)數(shù)據(jù)中心的云網(wǎng)絡(luò)對(duì)帶寬的需求更加迫切。2011 年 3 月，IEEE  802.3 成立了帶寬評(píng)估工作組，負(fù)責(zé)對(duì)網(wǎng)絡(luò)帶寬需求和端口速率趨勢(shì)進(jìn)行詳實(shí)的分析，旨在探索 Beyond 100G 時(shí)代人類對(duì)互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)的需求趨勢(shì)以及網(wǎng)絡(luò)流量的發(fā)展趨勢(shì)，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(luò)流量將增加 100 倍。2013 年 3 月，IEEE美國(guó)會(huì)議正式開啟了 400G 的標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)程。當(dāng)前華為，阿爾卡特朗訊，美國(guó)訊遠(yuǎn)通信 Ciena 公司等光傳輸主流設(shè)備供應(yīng)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(duì)于帶寬的容量遠(yuǎn)遠(yuǎn)不止這些，在達(dá)到 400G 后，以太網(wǎng)速率還會(huì)進(jìn)一步演進(jìn)到 Tbit/s 量級(jí)。 
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1.2   國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 
首先來(lái)看模分復(fù)用技術(shù)，這一概念始于 1982 年，法國(guó)學(xué)者 S. Berdagué和 P. Facq 在 10m 長(zhǎng)的階躍型多模光纖中實(shí)現(xiàn)了雙模式信號(hào)的傳輸[17]。但當(dāng)時(shí)的技術(shù)水平和光纖制造工藝均不支持雙模式傳輸，進(jìn)而模分復(fù)用并沒有被廣泛應(yīng)用。直到 2010 年，美國(guó)中佛羅里達(dá)大學(xué)的 Faith Yaman、Li Guifang 等人為了減小光纖的非線性效應(yīng)運(yùn)用了模場(chǎng)面積大并且耦合小的少模光纖作為傳輸媒介，實(shí)現(xiàn)并成功傳輸了 1050km 的光信號(hào)[18]。此后少模光纖模分復(fù)用技術(shù)開始被各大實(shí)驗(yàn)室以及研究機(jī)構(gòu)廣泛研究，其中有阿爾卡特朗訊公司旗下的貝爾實(shí)驗(yàn)室、美國(guó)斯坦福大學(xué)、日本  NTT  網(wǎng)絡(luò)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室、諾基亞西門子公司、日本東京大學(xué)等。一時(shí)之間，模分復(fù)用掀起了學(xué)術(shù)界乃至各大權(quán)威學(xué)術(shù)會(huì)議的熱潮。 2010  年，美國(guó)中佛羅里達(dá)大學(xué)的  Fatih  Yaman  等人再次采用  10×112Gb/s 速率的 PDM-QPSK  信號(hào)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(chǔ)。 2011  年日本  NTT  實(shí)驗(yàn)室的  Nobutomo Hanzawa  等人完成 2×10Gb/s 速率的信號(hào)在雙模光纖上傳輸  10km  的實(shí)驗(yàn)[20]，在接收端使用直接檢測(cè)。 同年，美國(guó)阿爾卡特朗訊公司貝爾實(shí)驗(yàn)室的 Sebastian  Randel  等人在 OFC年會(huì)上向人們展示了 3  模光纖的偏振復(fù)用實(shí)驗(yàn)，速率達(dá)到  6×28Gb/s，成功傳輸 10km [21]。 2012  年，美國(guó)的阿爾卡特朗訊貝爾實(shí)驗(yàn)室聯(lián)合美國(guó) OFS 公司的  S.Randel 等人利用差分模式時(shí)延補(bǔ)償?shù)墓饫w成功的傳輸了 6×20Gb/s 速率的信號(hào)，傳輸距離長(zhǎng)達(dá) 1200km [22]。 2013  年，英國(guó)南安普頓大學(xué)、德國(guó)慕尼黑工業(yè)大學(xué)、德國(guó)的諾基亞西門子網(wǎng)絡(luò)等研究機(jī)構(gòu)，采用美國(guó) OFS  公司研制的少模光纖進(jìn)行 MDM-8QAM-OFDM 信號(hào)的傳輸實(shí)驗(yàn)，速率高達(dá) 337.5Gb/s，并且成功傳輸 150km[23]，接收端更是采用了低復(fù)雜度的 DSP 算法。 
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第 2 章   模分復(fù)用技術(shù)概述 

模分復(fù)用技術(shù)作為一種新興的空分復(fù)用技術(shù)，是將少模光纖或多模光纖中正交且不同的模式作為獨(dú)立信道來(lái)承載信息的技術(shù)。利用少模光纖中少量但穩(wěn)定的模式進(jìn)行模分復(fù)用，既減小了模間色散，又可以借助不同的正交模式作為獨(dú)立信道進(jìn)行信息傳送，成倍提升系統(tǒng)傳輸容量。模分復(fù)用技術(shù)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(fù)用系統(tǒng)的基礎(chǔ)架構(gòu)和它的關(guān)鍵技術(shù)。 

2.1   模分復(fù)用系統(tǒng)構(gòu)成 
模分復(fù)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(hào)調(diào)制到 Mach-Zehnder 調(diào)制器上轉(zhuǎn)化為光信號(hào)；然后將多路模分復(fù)用信號(hào)送入少模光纖中進(jìn)行傳輸，模式耦合就發(fā)生在少模光纖內(nèi)，隨機(jī)且不定時(shí)；其次在接收端將混合并且有其它損傷的信號(hào)進(jìn)行相干接收，其中不同模式的信號(hào)也會(huì)在這里由模式解復(fù)用器分開；最后將接收到的信號(hào)送入 DSP 信號(hào)處理單元，經(jīng)過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換、色散補(bǔ)償、偏振模色散補(bǔ)償、模式解耦合等處理，得到源信號(hào)。圖2.1 為模分復(fù)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(yīng)用于長(zhǎng)距離大容量傳輸系統(tǒng)，而多模光纖由于包含的模式過(guò)多，其固有的模間色散相對(duì)嚴(yán)重，大大限制了多模光纖的應(yīng)用領(lǐng)域。因此少模光纖應(yīng)運(yùn)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(fù)用技術(shù)中則使用少量的相對(duì)穩(wěn)定的模式來(lái)進(jìn)行復(fù)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(dú)立的通信信道來(lái)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(fù)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(tái)對(duì)少模光纖進(jìn)行建模，由于該仿真平臺(tái)中還沒有少模光纖的模塊，只能用單模光纖來(lái)代替。首先我們使用 Mode solver 軟件對(duì) LP01模和 LP11模進(jìn)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(dú)立的單模光纖進(jìn)行參數(shù)的設(shè)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(shí)隨機(jī)性耦合，我們將光纖分段，如果將光纖分成無(wú)數(shù)段，那么將完全符合光纖鏈路的隨時(shí)耦合特性。但為了計(jì)算方便，文中設(shè)置的光纖總長(zhǎng)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(shù)......... 21 
3.1   高維調(diào)制的基礎(chǔ)知識(shí)及實(shí)現(xiàn)方法 ...... 21
3.2   高維調(diào)制的星座點(diǎn)選取 ........ 26 
3.2.1   星座點(diǎn)的隨機(jī)選取 ....... 26 
3.2.2   星座點(diǎn)的距離選取 ....... 27 
3.3   高維調(diào)制的映射技術(shù) ..... 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(jié) .......... 30 
第 4 章   高維調(diào)制的模分復(fù)用系統(tǒng)傳輸特性 ........ 33 
4.1   高維調(diào)制的模分復(fù)用系統(tǒng)建立 .......... 33 
4.2   理想的高維調(diào)制模分復(fù)用系統(tǒng)傳輸 ......... 34 
4.3   高維調(diào)制的模分復(fù)用系統(tǒng)的傳輸特性 ...... 36 
4.3.1   光信噪比對(duì)系統(tǒng)的傳輸性能影響分析 .... 36 
4.3.2   距離對(duì)系統(tǒng)的傳輸性能影響分析 ..... 37 
4.3.3   模式耦合對(duì)系統(tǒng)的傳輸性能影響分析 .... 38 
4.4   本章小結(jié) .......... 39 
第 5 章   高維調(diào)制的模分復(fù)用系統(tǒng)的均衡技術(shù) ..... 41 
5.1   高維調(diào)制的模分復(fù)用系統(tǒng)色散補(bǔ)償技術(shù) ......... 41 
5.2   高維調(diào)制的模分復(fù)用系統(tǒng)偏振模色散補(bǔ)償技術(shù) .... 43 
5.3   高維調(diào)制的模分復(fù)用系統(tǒng)模式解復(fù)用技術(shù) ..... 46 
5.4   本章小結(jié) .......... 49 

第 5 章   高維調(diào)制的模分復(fù)用系統(tǒng)的均衡技術(shù) 

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

5.1   高維調(diào)制的模分復(fù)用系統(tǒng)色散補(bǔ)償技術(shù) 
色度色散屬于線性損傷并且隨時(shí)間的變化率不是很大。色散均衡技術(shù)一般包括時(shí)域均衡技術(shù)和頻域均衡技術(shù)兩種，其原理示意圖見圖 5.1。直接探測(cè)系統(tǒng)中，對(duì)色散的補(bǔ)償大多使用時(shí)域均衡法或其他方法。由于本文傳輸?shù)拇a型和模分復(fù)用系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)選擇的是相干接收系統(tǒng),所以我們采用頻域均衡對(duì)色散進(jìn)行補(bǔ)償。這樣既可以避免時(shí)域均衡中要浪費(fèi)大量的時(shí)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(guò)程中的非線性效應(yīng)，提高了整個(gè)程序的執(zhí)行速率。目前基于高維調(diào)制的模分復(fù)用系統(tǒng)色散補(bǔ)償技術(shù)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(duì)色散進(jìn)行均衡補(bǔ)償。在本文建立系統(tǒng)的過(guò)程中，考慮到信號(hào)是由電信號(hào)變?yōu)楣庑盘?hào)的，且在光域信號(hào)是分別傳輸在 X、Y 偏振態(tài)以及 I、Q 四個(gè)維度上的，我們暫且可以把它當(dāng)作是兩個(gè)復(fù)用的 QPSK 信號(hào)，使用頻域均衡的辦法將其進(jìn)行色散補(bǔ)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(hào)在色散補(bǔ)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(bǔ)色散帶來(lái)的損傷，在未補(bǔ)償之前兩模式的信號(hào)眼睛張開度均為 0，補(bǔ)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(jié) 

隨著信息化社會(huì)的到來(lái)，人們對(duì)通信帶寬的要求進(jìn)一步增加。作為通信系統(tǒng)的主干網(wǎng)絡(luò)—光通信網(wǎng)絡(luò)的通信容量亟需提高。由于單模光纖自身的非線性效應(yīng)和放大器的自發(fā)輻射噪聲，長(zhǎng)距離大容量的單模光纖傳輸系統(tǒng)已經(jīng)達(dá)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(guān)注模式這一未被利用的自由度。模式最初來(lái)源于多模光纖，據(jù)信息論論述，多模光纖中的每一個(gè)模式都可以當(dāng)作是一個(gè)通信信道來(lái)承載信息，加上多模光纖的成本和端口接收設(shè)備成本較低，人們更傾向于用多模光纖來(lái)傳輸信息。但是多模光纖中的模式較多，因而會(huì)有嚴(yán)重的模間色散，這導(dǎo)致多模光纖的傳輸性能嚴(yán)重下降。少模光纖便應(yīng)運(yùn)而生。少模光纖,  顧名思義,  就是相對(duì)于單模光纖模式多，但相對(duì)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(shí)，高維調(diào)制因?yàn)槠漭^高的譜效率和漸進(jìn)功率效率在調(diào)制方式領(lǐng)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(shí)達(dá)到人們的要求。 本文就模分復(fù)用和高維調(diào)制技術(shù)相結(jié)合做了系統(tǒng)介紹和研究。為了更好的理解模分復(fù)用的概念，本文先從模分復(fù)用系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分出發(fā)簡(jiǎn)單介紹了模分復(fù)用所需要用的少模光纖，模分復(fù)用/解復(fù)用器以及基于高維調(diào)制的模分復(fù)用系統(tǒng)的損傷；其次從高維信號(hào)的產(chǎn)生方法和高維信號(hào)的兩個(gè)關(guān)鍵技術(shù)詳細(xì)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(fù)用系統(tǒng)的理論模型并進(jìn)行仿真分析；最后對(duì)模分復(fù)用系統(tǒng)中色散、偏振模色散以及模式耦合帶來(lái)的損傷進(jìn)行數(shù)字信號(hào)處理算法處理。其具體工作如下： 
1.首先給出模分復(fù)用系統(tǒng)的原理框圖，接著對(duì)模分復(fù)用的組成部分做了詳細(xì)的介紹：少模光纖，模分復(fù)用/解復(fù)用器和模式耦合模型。最后對(duì)模分復(fù)用系統(tǒng)接收端所要用到的信號(hào)處理算法做了簡(jiǎn)單介紹，主要包括色散補(bǔ)償技術(shù)，偏振模色散補(bǔ)償技術(shù)和模式解復(fù)用技術(shù)。 
2.詳細(xì)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(xì)介紹，然后從他的三個(gè)產(chǎn)生方法來(lái)分別論述高維信號(hào)的產(chǎn)生過(guò)程，為以后選擇產(chǎn)生方法做了基礎(chǔ)鋪墊；接著對(duì)高維信號(hào)兩個(gè)關(guān)鍵技術(shù)：星座點(diǎn)選取技術(shù)和比特符號(hào)映射技術(shù)做了詳細(xì)的論述。  
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參考文獻(xiàn)(略)

本文編號(hào)：174866