高速相干光接收机的解偏振复用和相位恢复技术研究

摘要

随高清视频业务、大规模数据存储业务、云计算、移动互联网的飞速发展，这些宽带应用将会推动网络流量的持续增加。为了支持未来的网络流量的增长，提高骨干网的容量势在必行。随着100 G速率系统已经商业化，人们把研究的目标放到了超100 G速率的光传输系统。由于偏振复用技术应用到高速光传输系统中，对系统色度色散、偏振模色散、激光器线宽等损伤的容忍度急剧下降，在光域中进行解偏振复用和信道损伤均衡越来越困难。随着硅基技术的提高，获得采样速率与光传输速率相匹配的模数转换器（ADC，Analog to Digital Converter）成为可能。采用相干光检测技术不仅能够提高接收机灵敏度，还能够利用数字信号处理技术克服光信道中的损伤，例如色度色散和偏振模色散。与光域均衡技术相比，电域均衡技术具有均衡性能好，结构简单，响应速度快，通用性强，集成度高等优点。
　　本文研究了偏振复用的16QAM相干光传输系统。对信号和信道模型进行了分析，利用Simulink软件搭建了224 Gb/s速率的偏振复用16QAM光传输仿真平台，用以产生进行数字信号处理（DSP，DigitalSignalProcessing）的数据。该传输平台可对色度色散、偏振模色散、激光器线宽、ASE噪声等效应进行仿真；利用Matlab搭建了DSP算法仿真平台。
　　由于采用偏振复用技术，在蝶形滤波器进行解偏振复用和偏振模色散（PMD，Polarization Mode Dispersion）均衡过程中会遇到奇异点问题。奇异点问题是指当X、Y两路偏振信号独立采用常模算法（CMA，ConstantModulus Algorithm）收敛时，由于CMA算法对相位变化不敏感引起X、Y两路信号收敛到同一偏振态信号源从而造成其中一路信号丢失的现象。目前常用的解决奇异点的方法是CMA系数重置法。
　　本文提出一种新的避免自适应算法收敛到奇异点的解决方法。通过引入对相位敏感的多模算法（MMA，Multi-modulus Algorithm），在不增加系统复杂度的情况下，奇异点问题发生的概率为CMA算法的约30％，并仿照CMA系数重置法提出了MMA系数重置法，使平均收敛速度大大提高。在此基础上，本文对CMA、MMA、判决引导的最小均方差（DD-LMS,Decision-directed Least Mean Squares）三种算法的偏振模色散均衡性能进行了深入研究，考察了在不同色度色散、偏振模色散条件下自适应均衡算法的性能指标。
　　最后本文研究了M次方和盲相位搜索两种载波相位恢复算法，并提出了一种优化的前馈载波相位恢复算法用于相干光接收机。通过引入多级结构的载波恢复算法，使得对16QAM信号其算法复杂度降低了约3倍。

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第一章 绪论

1.1研究背景及意义

1.2本文研究目标与内容安排

第二章 PM-16QAM高速相干光传输系统

2.1 OSNR与传输误码率分析

2.2相干光传输系统模型

2.2.1发射机

2.2.2传输链路

2.2.3接收机

2.3 DSP模块关键算法分析

2.3.1 ADC采样及时钟恢复

2.3.2色度色散均衡

2.3.3 PMD均衡及解偏振复用

2.4本章小结

第三章 PMD均衡及解偏振复用

3.1传输系统仿真平台介绍

3.2自适应均衡算法

3.2.1 CMA基本理论

3.2.2 MMA基本理论

3.2.3 DD-LMS基本理论

3.2.4三种算法的比较

3.3蝶形滤波器均衡性能仿真

3.3.1蝶形滤波器参数设计

3.3.2残余CD均衡仿真

3.3.3 PMD均衡仿真

3.3.4偏振态旋转跟踪性能仿真

3.4解偏振复用中的奇异点问题分析及算法改进

3.4.1奇异点产生的原因

3.4.2针对奇异点问题的算法改进

3.5本章小结

第四章 载波相位恢复

4.1相位噪声模型

4.2相位估计与补偿

4.2.1 M次方算法

4.2.2盲相位搜索算法

4.2.3两级结构盲相位搜索算法

4.2.4三级结构盲相位搜索算法

4.3本章小结

第五章 总结与展望

致谢

参考文献