高速光纤通信系统中高阶偏振模色散自适应补偿的研究

摘要

光纤通信从其诞生起至今已经经历了四十年的迅猛发展,其频带宽、通信容量大、损耗低、抗电磁干扰、保密性好、质量轻、原材料丰富等优点使其迅速进入了有线通信的各个领域,如广播通信、邮电通信、电力通信和军事通信等领域。不仅如此,如今光纤通信仍有十分广阔的发展空间。光进铜退、光纤到农村、光纤到户等目标已经在运营商制订的未来发展战略中越来越显现出来。“三网合一”要求通信网络具有承载声音、图像、图形等综合能力,这就要求未来的光通信向着更高速率、更长距离、更低损耗的方面发展。然而光纤损耗、非线性和光纤的色散等效应影响了光纤通信的发展。拉曼光纤放大器的研制成功大大降低了光纤损耗对传输距离的限制,各种新型光纤的产生可以较好的克服各种非线性效应,在较低的通信速率下表现不明显的偏振模色散,成为了高速光纤通信系统发展的瓶颈。目前对偏振模色散特别是高阶偏振模色散还没有有效的解决办法。基于以上背景,本论文开展了对高速光纤通信系统中高阶偏振模色散的自适应补偿的研究。
　　理想光纤截面是圆形,光入射时选择一定的角度使其在光纤内发生全反射从而实现光信号的传播。而实际上,由于光纤制造工艺上的不完善造成横截面呈椭圆形,内部存在应力,或者光纤被弯曲,还受环境温度、电磁场、振动的影响,构成了光纤局部的双折射,即为光纤的偏振模色散。光纤在成纤过程中的工艺不完善造成其各部分密度的不均匀,加上外界环境的影响,使得偏振模色散具有随机特性,要想实时的补偿偏振模色散,降低它对光纤通信系统的影响,应研究其统计特性。本论文使用数值方法研究了达三阶的偏振模色散的统计特性,得到了三阶偏振模色散三个方向分量及合矢量的概率密度柱状图。从图中可以看出,pww)方向分量对总的三阶偏振模色散的影响最大。
　　在实验室建立偏振模色散的自适应补偿系统时,应模拟出各阶偏振模色散的特性,有必要设计出偏振模色散模拟器。研究偏振模色散统计特性时用的数学模型是保偏光纤级联模型,这一模型在实验室中难以建立,采用“PC+PMF”模型建立偏振模色散模拟器。本论文中在以前研究人员设计的一阶模拟器基础上,改进了二阶模拟器,使其更接近二阶PMD的理论统计特性,设计了三阶模拟器,为建立高阶偏振模色散补偿器奠定了基础。
　　根据偏振模色散的统计特性柱状图可知,一阶偏振模色散矢量符合麦克斯韦分布,二阶偏振模色散矢量可以分成p),p)w两个相互垂直的方向,其中去偏振方向p)w的分量对二阶偏振模色散的影响比较大,三阶偏振模色散矢量分为p),p)w,p)ww方向,其中pww)方向分量对三阶偏振模色散的影响较大。补偿偏振模色散有三种方式:光域补偿、电域补偿及光电补偿,在本论文选择光域补偿并设计了三阶段偏振模色散补偿器。三阶段PMD补偿其可以补偿全部一阶PMD和部分高阶PMD,其中包括对二阶去偏振、三阶pww)分量的补偿。如果要完全补偿一阶、二阶PMD和三阶PMD的p)ww分量,可以用四阶段补偿器。
　　光纤中的偏振模色散具有随机特性,如何实时的对光纤链路中的偏振模色散进行补偿成为一个重要的研究内容。与诸多搜索算法相比较,粒子群优化算法能更准确快速的搜索到反馈信号的全局最大值而不易陷入局部极值,特别适用于多自由度的情况。本论文采用此算法对在线检测和反馈信号--偏振度的最佳值进行搜索和跟踪,实现了系统的自适应性。
　　有研究人员观察了实际光纤链路中偏振模色散的随机变化,表明补偿系统的响应时间在毫秒量级时基本能满足实际通信系统的需要。然而在以往基于板卡+计算机的实验系统中,搜索时间在百毫秒量级,跟踪时间也要十毫秒量级。改进的基于DSP的逻辑控制单元虽然在补偿时间上有所降低,但仍难以达到实时补偿的要求。这是由于DSP需要接收处理大量来自A/D,D/A的命令,不能致力于计算工作,从而限制了其运算速度快这一优势的发挥。在本论文中,为了提高补偿速度,降低响应时间,逻辑控制单元采取了DSP+FPGA实验系统。FPGA具有成千上万的查找表和触发器,因此FPGA平台以更低的成本达到比通用DSP更快的速度。例如,目前的两百万门FPGA可达到每秒1280亿MAC的性能,比目前最快的DSP性能还要高一个量级。实验系统中用FPGA处理A/D,D/A命令,使DSP芯片处理的指令比原来少了89％,更能专注于算法,目前补偿响应的时间在13.6ms左右,使整个补偿系统的响应时间大大缩短,占原PMD补偿单元每次循环耗时的45%。

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第一章 绪 论

1.1光纤通信的发展历史

1.2影响光纤通信进一步发展的主要因素

1.3偏振模色散补偿的发展现状

1.4 论文的结构安排

第二章 偏振模色散的基础理论

2.1 偏振模色散产生机理及其矢量描述

2.2 研究偏振模色散的理论模型

2.3 本章小结

第三章 各阶PMD的统计特性及PMD模拟器研究

3.1 研究偏振模色散的数值模型

3.2 一阶PMD的统计特性研究

3.3 二阶PMD的统计特性研究

3.4 三阶PMD的统计特性研究

3.5 一阶及高阶PMD模拟器

3.6 本章小结

第四章 PMD补偿技术的研究

4.1 补偿PMD的方式及分类

4.2一阶及高阶PMD补偿器

4.3 本章小结

第五章 基于DSP和FPGA的PMD自适应补偿实验系统

5.1 PMD自适应补偿系统的组成

5.2实验结果测试及分析

5.3 本章小结

第六章 工作总结及展望

6.1 工作总结

6.2 下一步工作展望

参考文献

致谢

攻读学位期间发表的学术论文