数字相干的大容量光纤无线系统与网络的研究

摘要

光纤-无线融合通信能够满足未来通信网络对通信带宽和移动性的双重需求，探索大容量高频谱效率高接收灵敏度的数字相干光纤-无线融合系统与网络已成为光通信领域的一个重要课题。本论文深入研究了实现数字相干光纤-无线融合系统与网络的三种关键技术:基于远程外差的光生毫米波技术，基于先进数字信号处理(DSP)的外差相干检测技术以及天线多输入多输出(MIMO)技术。并基于这些关键技术提出并实验证实了若干种新颖的大容量高频谱效率高接收灵敏度的光纤-无线融合网络架构:基于光偏振复用和天线MIMO的100G光纤-无线融合系统，400G超高速多维复用光纤-无线融合系统，以及基于光子生成和光子解调技术的大容量光纤-无线-光纤融合系统。主要工作和创新点如下:
　　(1)提出了一种基于多波长循环频移环的多信道锁频光多载波源。并基于该多信道光多载波源方案通过实验证实了当光种源采用两个频率间隔约为1 THz的单独光源，并且驱动同相/正交相(I/Q)调制器的正弦式射频(RF)时钟的频率为25 GHz时，可以生成两个波长信道的多载波:一个波长信道包含有28个音噪比大于20 dB、频率间隔为25 GHz的光子载波，另一个波长信道包含有29个音噪比大于23 dB、频率间隔为25 GHz的光子载波。由于光载波频率远高于毫米波载波频率，可以借助于一个可调谐光滤波器或波长选择开关从生成的多载波中选择出具有特定毫米波频率间隔的两个子载波，然后通过外差拍频生成需要的毫米波载波频率。
　　(2)提出了基于频谱整形和先进DSP算法的简化式外差相干检测技术，可实现对超高速超长距离高频谱效率光信号的高灵敏度接收。并先后通过实验证实了对信道间隔为25 GHz、净频谱效率为4 bit/s/Hz的8×112 Gb/s波分复用(WDM)偏振复用正交相移键控(PDM-QPSK)光信号经1120 km单模光纤-28(SMF-28)传输后的外差式相干接收;对信道间隔为50 GHz、净频谱效率为3.678 bit/s/Hz的4×196.8 Gb/sWDM PDM-QPSK光信号经1040 km SMF-28传输后的外差式相干接收;对信道间隔为50 GHz、净频谱效率为4 bit/s/Hz的8×240 Gb/s WDM PDM-QPSK光信号经2100km SMF-28传输后的外差式相干接收。
　　(3)采用光偏振复用和无线MIMO相结合的技术实现了108 Gb/s@100 GHz的PDM-QPSK信号依次在80 km SMF-28和1m2×2 MIMO无线链路上的无缝融合传输。在无线接收端，首先对接收到的100 GHz无线毫米波信号执行两阶段的下变频操作，即第一阶段的基于正弦式RF信号和平衡式混频器的模拟下变频和第二阶段的基于DSP的数字中频下变频。然后，采用经典的恒模算法(CMA)均衡实现信号的偏振解复用。经80 km SMF-28和1m2×2 MIMO无线链路传输后的108 Gb/s@100 GHzPDM-QPSK信号的误码率(BER)低于硬判决前向纠错(HD-FEC)阈值3.8×10-3。
　　(4)采用天线水平极化和垂直极化复用技术实现了2×56 Gb/s@37.5 GHzPDM-QPSK信号依次在80 km SMF-28和2m4×4 MIMO无线链路上的无缝融合传输。研究了天线极化复用中天线极化角度所引起的极化串扰，并得到了最大能够容忍的天线极化角度。在无线接收端采用经典的CMA均衡可同时实现信号的偏振解复用和同一天线极化上无线串扰的抑制。经2 m MIMO无线传输的每信道56 Gb/s@37.5 GHzPDM-QPSK信号的BER低于1×10-5。
　　(5)实验性研究了大容量光纤-无线融合系统中的无线MIMO串扰效应以及不同的无线传输距离导致的等效差分群时延(DGD)效应，证实了接收端基于DSP的长抽头CMA均衡可以有效地克服无线MIMO串扰效应和等效DGD效应。
　　(6)采用天线极化分集技术实现了低串扰易安装的大容量光纤-无线融合系统，它可以实现高达156 Gb/s@100 GHz PDM-QPSK信号依次在80 km SMF-28和2m2×2MIMO无线链路上的无缝融合传输。在移除20％软判决前向纠错(SD-FEC)开销后，156 Gb/s的总比特率对应于130 Gb/s的净比特率，据我们所知，这是目前为止无线信号传输中所证实的最高的单偏振复用信道比特率。
　　(7)结合光子毫米波生成、天线极化复用、多波段复用、MIMO和先进DSP技术，实现了一个400G超高速多维复用光纤-无线融合系统，该系统能够同时传输2×112Gb/s@37.5 GHz的双信道偏振复用16阶正交幅度调制(PDM-16QAM)信号和2×108Gb/s@100 GHz的双信道PDM-QPSK信号。据我们所知，去掉FEC开销后的400 Gb/s速率是目前为止无线传输的一个最高的容量记录。
　　(8)提出了可对偏振复用的无线毫米波信号进行电光转换的RF透明的光子解调技术，并且转换得到的光信号可以在长距离的光纤上进行传输。在采用基于推挽马赫增德尔调制器(MZM)的光子解调技术的情况下，首先实验性地证实了40 Gb/s@40 GHz的PDM-QPSK信号依次在20 km SMF-28、2m2×2 MIMO无线链路和20 km SMF-28上的传输，然后实验性地证实了109.6 Gb/s@95 GHz的PDM-QPSK信号依次在80 kmSMF-28、2m2×2 MIMO无线链路和80 km SMF-28上的传输。

目录

摘要

插图索引

1 绪论

1．1 研究背景和意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 国际研究现状

1．2．2 国内研究现状

1．3 本论文的研究内容和结构安排

2 基于远程外差的光生毫米波技术

2．1 引言

2．2 基于两个单独激光源的远程外差技术

2．3 基于光多载波源的远程外差技术

2．3．1 基于多波长频移循环的光多载波源

2．3．2 基于串联DML和PM的光多载波源

2．4 小结

3 基于先进数字信号处理的外差相干检测技术

3．1 引言

3．2 基于数字中频下变频的简化式外差相干检测原理

3．3 数字后置滤波原理

3．4 基于频谱整形的最佳频率偏移选取原理

3．5 基于数字中频下变频和后置滤波的外差检测原理

3．5．1 对PDM-QPSK信号基于CMA和后置滤波的外差检测原理

3．5．2 对PDM-16QAM信号基于CMMA和后置滤波的外差检测原理

3． 6 小结

4 天线MIMO技术

4．1 基于光偏振复用的2×2 MIMO无线链路

4．2 基于天线极化复用的4×4 MIMO无线链路

4．2．1 天线极化隔离度和串扰研究

4．2．2 天线极化复用原理

4．3 MIMO无线链路中的无线串扰

4．4 低无线串扰结构简单的基于天线极化分集的2×2 MIMO无线链路

4．5 小结

5 基于光偏振复用和天线MIMO的100G光纤-无线融合系统

5．1 引言

5．2 基于同一天线极化的2×2 MIMO的光纤-无线融合系统的实验证实

5．2．1 实验装置

5．2．2 实验结果

5．3 基于天线极化复用的4×4 MIMO的光纤-无线融合系统的实验证实

5．3．1 实验装置

5．3．2 实验结果

5．4 基于天线极化分集的2×2 MIMO的光纤-无线融合系统的实验证实

5．4．1 实验装置

5．4．2 实验结果

5．5 小结

6 400G超高速多维复用光纤-无线融合系统

6．1 引言

6．2 400G超高速多维复用光纤-无线融合系统的实验证实

6．2．1 实验装置

6．2．2 实验结果

6．3 小结

7 基于光子生成和光子解调技术的大容量光纤-无线-光纤融合系统

7．1 引言

7．2 光子毫米波解调原理

7．2．1 基于推挽MZM的光子解调原理

7．2．2 基于PM的光子解调原理

7．2．3 PDM-QPSK调制的光纤-无线-光纤融合系统的偏振解复用

7．3 基于推挽MZM的Q波段光纤-无线-光纤融合系统的实验证实

7．3．1 实验装置

7．3．2 实验结果

7．4 基于推挽MZM的W波段光纤-无线-光纤融合系统的实验证实

7．4．1 实验装置

7．4．2 实验结果

7．5 基于PM的W波段光纤-无线-光纤融合系统的实验证实

7．5．1 系统频率响应测量

7．5．2 实验装置

7．5．3 实验结果

7．6 小结

8 结论与展望

8．1 结论

8．2 展望

参考文献

致谢

攻读学位期间取得的研究成果

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