基于分数阶傅里叶变换的光通信系统光性能监测和损伤估计研究

摘要

随着通信技术与光电子器件的不断发展，当前长距离大容量光纤通信网络的传输性能主要取决于光纤链路存在的损伤，包括链路损耗、色散和偏振模色散、光放大器所引入的噪声以及光纤非线性效应等。为了达到理想的传输效果，需要对这些损伤进行管理和补偿。由于数字信号处理技术的快速发展，在接收端使用数字信号处理的方法来补偿这些损伤成为主流。但是由于目前光网络的高度灵活性，这些损伤的大小和特性在接收端并不是固定不变的，因此需要对光通信信号的性能进行监测并对损伤的程度进行估计。分数阶傅里叶变换作为传统傅里叶变换的一种扩展形式，具有一些独特的性质，能够对信号在时-频分布上进行分析和处理。基于此，本论文将分数阶傅里叶变换应用到光纤通信系统数字信号处理中，提出并实现了一系列光纤传输链路损伤参数的估计和监测。主要的研究内容和创新性成果如下： （1）针对相干光通信中的色散估计问题，研究了光纤链路中色散的基本原理及其对光纤通信信号时-频分布的影响，在接收端数字信号处理过程中利用分数阶傅里叶变换分析和提取信号的时-频变换特征，找到色散大小和变换阶次之间的关系从而通过特征提取来监测和估计色散值的大小。通过仿真和实验分析来验证了色散监测方法对其他不同的信道损伤的抵抗能力，相比于其他传统的色散估计方法，本方法复杂度较低，所需采样点数少，并能够抵抗更加严格的信道条件，如更低的光信噪比和更大的非线性效应。 （2）针对多载波系统对同步误差（频偏误差和帧同步误差）很敏感的问题，利用分数阶傅里叶变换的思想构造特殊时-频分布的训练序列，从时-频二维平面信号处理的角度，将同步误差映射到对应的分数域，再通过时-频二维平面的几何分析方法联合估计出频域和时域上的同步误差。搭建高速率长距离相干光正交频分复用传输仿真与实验系统，将所设计的训练序列应用到此系统当中，分析在不同信道条件下同步误差估计的效果。与其他同步误差估计方法相比，本方法能够在更低光信噪比（10dB）情况下实现快速准确的时间同步误差估计，同时实现更大范围（±5GHz）的频率同步误差估计。 （3）结合以上两点研究内容，进一步改进时-频分布训练序列，将新的训练序列分为两个部分，一个部分的频率范围小对色散不敏感，另一个部分的频率范围大对色散敏感。根据这个结构特点，利用这两个部分分别进行同步误差估计和色散估计。本研究内容的创新点在于充分利用训练序列的时频分布的特点，通过分数阶傅里叶变换在时频平面上进行几何分析，同时估计出信道线性损伤（色散和同步误差）。由于仅通过一个训练序列便可以实现上述估计，大大降低了计算复杂度从而提高了估计效率。

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