光正交频分复用系统性能优化及信噪比监测技术研究

摘要

自互联网技术兴起以来，人类生产效率的提升和生活方式的转变不断推动着通信产业的发展。新型通信技术和互联网业务的广泛部署与应用又从根本上激发了人们对通信流量无止尽的需求；而如何提升传输容量一直都是通信系统中最引人关注的问题。在光通信系统中，偏振复用、波分复用、空分复用等技术可以成倍地提升传输容量，而如何避免有限频谱资源的浪费并进一步提高频谱效率一直都是通信领域研究的极致追求。正交频分复用技术以其高频谱效率、高色散容忍度和灵活编码等特点获得通信业界的青睐并在4G网络中广泛部署和应用。然而，过高的峰均比、对同步误差敏感和数字信号处理过程复杂等固有缺陷限制了正交频分复用技术在光通信领域的应用。 本论文针对正交频分复用技术在光纤通信系统中所面临的问题，提出了若干调制解调技术以及算法层面的优化方案和实现办法，开展了仿真和实验研究，并实现了光正交频分复用系统中的光信噪比监测，主要研究内容及创新成果包括： （1）以光正交频分复用技术为基础，针对正交频分复用系统中峰均比过高的问题提出了一种低复杂度降峰均比的线性预编码算法，预编码矩阵由恒幅度零自相关序列产生，仿真结果表明该预编码方案能够在发射端降低QPSK和16QAM等高阶调制格式的正交频分复用信号峰均比，从而提升系统传输性能，经实验验证，该算法能够提升直接探测系统的接收机灵敏度，也能提升相干探测系统的传输距离；针对正交频分复用系统对同步误差敏感且数字信号处理复杂度高的问题，提出了一种基于稀疏傅里叶变换的快速同步算法，经仿真和实验验证，我们提出的基于稀疏傅里叶变换的快速同步算法在直接探测和相干探测光正交频分复用系统里均表现出优异的性能，在满足正交频分复用系统对同步的高精度要求的同时显著减小了数字信号处理的运算复杂度。 （2）针对正交复用技术的固有缺陷，在光正交频分复用系统的基础上进一步开展了非正交复用技术的研究：使用滤波器组多载波技术对每个子载波进行滤波整形，减少频谱泄露，放宽严格正交条件，省去循环前缀，进一步提高了频谱效率。我们还将上述降峰均比的线性预编码算法应用于滤波器组多载波系统中，经仿真和实验验证，该算法能够降低滤波器组多载波调制系统的峰均比并提升直接探测系统的接收机灵敏度；打破正交系统无串扰的限制，使用功率复用技术重复利用相同的频谱资源，将两路相同频段相同速率的正交频分复用信号以不同的功率叠加到一起，在接收端用串行串扰消除算法分离两路信号完成解调，经仿真和实验验证，功率复用技术能够兼容现有的偏振复用、波分复用和正交频分复用等技术，并在以上复用技术的基础上进一步提升频谱效率。 （3）为了实现正交频分复用技术在光通信中的应用，光信噪比监测技术的研究不可或缺。为了监测偏振复用信号两个偏振态的光信噪比，我们用相干接收机将光信噪比监测转化为易于用数字信号处理技术完成的电信噪比监测。提出了一种基于同步训练序列的频域相关方法，利用已知的训练序列与噪声不相关的性质分离信号和噪声，从而计算信噪比，该方法不需要完全解调信号，也不需要额外设计训练序列增加频谱开销，但是要求有一段固定平坦的频率响应，这在快速时变系统中是很难满足的。针对这一缺点，我们又提出了一种基于同步训练序列的时域相关方法，利用蝶形滤波器直接在时域上将信号噪声分离，避免了信道估计和解偏振复用，不仅复杂度更低，还不受信号频率响应影响。 以上研究内容和成果有望为正交频分复用技术在光纤通信系统中的应用提供技术支撑。

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