（电磁场与微波技术专业论文）coofdm系统的非线性损伤分析与仿真.pdf

， 1 吩 独创性( 或创新性) 声明 本人声明所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽 我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人已经 发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京邮电大学或其他教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确 的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名：丑丝堕 同期：丝 21 生! ! 篁 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生 在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京邮电大学。学校有权保留并向国家有 关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学 位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编学位论 文。( 保密的学位论文在解密后遵守此规定) 保密论文注释：本学位论文属于保密在一年解密后适用本授权书。非保密论文注释： 本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 本人签名： 丘窒垡一 日期： 导师签名：；革孑l 尹一 日期： 2 0 p 、弓、1 r h 1 p j， t ，_ 白 c o - o f d m 系统的非线性损伤分析与仿真 摘要 相干光正交频分复用( c o h e r e n to p t i c a lo r t h o g o n a lf r e q u e n c yd i v i s i o n m u l t i p l e x i n g ，c o o f d m ) 技术是下一代光网络中物理层调制技术的重要发 展方向之一，其在超长距离超高速传输系统应用中具有独特优势。利用这 类技术特有的多载波正交分割信道的性质，可实现对通信带宽的动态调度， 支持复杂的业务配置以及高效的资源优化。此外，这类系统可采用灵活的 数字信号处理技术来进行电域色散补偿，大大弱化了对光学色散补偿精确 度的要求，极大地降低了网络系统建设和运营成本。 然而，c o o f d m 技术带来的光网络性能提升也存在一定的限度，主要 原因是该类系统的子载波过于密集地排列，使得光纤信道中的非线性效应 较为强烈，给光信号带来不可逆转的物理损伤。在超长距离传输系统中， 这种非线性损伤会沿途一再累积，有可能造成信号质量的过度劣化以致系 统性能的严重下降。尽管已有初步的研究成果探讨c 0 o f d m 系统中的非 线性损伤，但是仍未产生较为精确的理论模型来描述其机理和影响。因此， 本论文在国家自然科学基金的支持下，针对上述问题进行了深入的研究， 获得了若干具有创新性的成果，已经发表在国际期刊j o u r n a lo fl i g h t w a f v e t e c h n o l o g y 和o p t i c sc o m m u n i c a t i o n s 上。主要的工作和贡献如下： 第一、基于光纤信号演化所遵循的非线性薛定谔方程，结合c o o f d m 信号的具体形式，推导并得到了描述c o o f d m 通信系统中非线性损伤机 理的较为精确的模型，给出了由光纤非线性效应所约束的信噪比上限。 第二、基于理论推导所得到的非线性损伤模型，指出了数据相关性会 加剧非线性损伤这一c o o f d m 通信系统特有的性质。同时，给出了一个 衡量c o o f d m 系统中数据相关性大小的量化指标，提出并研究了该指标 作为均衡算法优化准则的可行性。 第三、构建了c o o f d m 系统级仿真系统并对理论推导结果进行了验 证。在本实验室的m a t l a b 实现的c o o f d m 仿真平台上，搭建了4 8 0 k m 的c o o f d m 仿真系统。分别在不同光信号功率水平的情况下，验证理论 推导结果的正确性。 关键词：c o o f d m 通信系统相干光通信非线性损伤非线性补偿 i i i i v 一 1 厶 p 0 i 厶 q i n v es t i g a t i o na n ds i m u l a t i o no n t h en o n l i n e a ri m p a i r m e n t s i nc o h e r e n to p t i c a lo f d ms y s t e m a b s t r a c t c o h e r e n to p t i c a lo r t h o g o n a lf r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ( c o o f d m ) i sa n i m p o r t a n tm o d u l a t i o nt e c h n i q u ew h i c hw i l lb ea d o p t e di nt h en e x t g e n e r a t i o no fo p t i c a lt r a n s m i s s i o nn e t w o r k ，b e c a u s eo fi t su n i q u ea d v a n t a g ei n t h ea p p l i c a t i o no fu l t r a l o n gh a u la n dh i g hs p e e dt r a n s m i s s i o ns y s t e m f o r e x a m p l e ，b yu t i l i z i n gt h ec h a r a c t e r i s t i co fm u l t i c a r d e r ss h a r i n gt h ec h a n n e l ，t h e d y n a m i ca l l o c a t i o no fc o m m u n i c a t i o nb a n d w i d t hc a nb ei m p l e m e n t e d ，t h e n c o m p l e xs e r v i c ec o n f i g u r a t i o na n de f f e c t i v er e s o u r c eo p t i m i z a t i o nw i l lb e s u p p o r t e d w h a ti sm o r e ，s u c ht y p eo fs y s t e mc a na p p l yf l e x i b l ed i g i t a ls i g n a l p r o c e s s i n ga l g o r i t h mt oc o m p e n s a t et h ec h r o m a t i cd i s p e r s i o n , m i t i g a t i n gt h e u r g ef o rp r e c i s eo p t i c a lc h r o m a t i cd i s p e r s i o nc o m p e n s a t i o na n dr e d u c i n gt h e c o s to ft h es y s t e mc o n s t r u c t i o na n do p e r a t i o n h o w e v e r , t h e r ei sl i m i to nt h ep e r f o r m a n c ei ns u c hs y s t e m t h em a j o rr e a s o n f o rs u c hl i m i to r i g i n a t e sf r o mt h en o n l i n e a r i t yi nt h eo p t i c a lf i b e r , w h i c hi sm o r e s e v e r et h a nt h a ti nt h et r a d i t i o n a ls y s t e m d u et oc o m p a c td i s t r i b u t i o no f s u b c a r r i e r s i nt h eu l t r a 1 0 n gt r a n s m i s s i o ns y s t e m t h en o n l i n e a ri m p a i r m e n t s m a y a c c u m u l a t ea l o n gt h et r a n s m i s s i o nl e n g t h ，s e v e r e l yd e g r a d i n gt h eq u a l i t yo f t h es i g n a l a l t h o u g ht h e r ea r e p r e v i o u sl i t e r a t u r e ss t u d y i n g t h i st y p eo f i m p a i r m e n t s ，n oa c c u r a t em o d e li sp r o p o s e dt od e s c r i b et h em e c h a n i s ma n d i m p a c t t h u s ，u n d e rt h es u p p o r to ft h en a t i o n a ls c i e n c ef o u n d a t i o n ，t h i st h e s i s m a k e sp r o f o u n d i n v e s t i g a t i o no nt h ep r o b l e m sa b o v ea n da c q u i r e ss o m e i n n o v a t i o n s t h er e l e v a n ta c h i e v e m e n t sh a v eb e e n p u b l i s h e d o ns o m e i n t e r n a t i o n a l j o u r n a l ： a n d t h em a j o ra c h i e v e m e n t sa r el i s t e da sf o l l o w t h ef i r s t ，b a s e do nt h en o n l i n e a rs c h r o d i n g e re q u a t i o na n dc o n s i d e r i n gt h e s p e c i f i cw a v e f o r mo fc 0 0 f d m am o r ea c c u r a t em o d e lt od e s c r i b et h e n o n l i n e a ri m p a i r m e n t si sa c q u i r e d ，a n da nu p p e r - l i m i to fs n ri so f f e r e d t h es e c o n d ，b a s e do nt h en o n l i n e a ri m p a i r m e n t sm o d e ld e v e d ，t h eu n i q u e c h a r a c t e r i s t i c si nc 0 0 f d ms y s t e mi sp o i n t e do u tt h a tt h ed a t ac o r r e l a t i o nw i l l e n h a n c es u c ht y p eo fi m p a i r m e n t s ，l l a ti sm o r e aq u a n t i z e ds t a n d a r dt o v e v a l u a t ed a t ac o r r e l a t i o ni nc 0 o f d mi sp r o p o s e d a n dt h ef e a s i b i l i t yi s i n v e s t i g a t e dt h a tt h i ss t a n d a r di su s e da st h eo p t i m i z a t i o n i n d i c a t o ri nt h e e q u a l i z a t i o na l g o r i t h m t h e t h i r d ，d e s i g n i n gt h es i m u l a t i o ns y s t e mo nt h ec o o f d ms y s t e ma n d t h e d e t a i lv e r i f i c a t i o ni sc a r d e do u t o nt h em a t l a bb a s e dc o o f d mp l a t f o r mo f o u rl a b o r a t o r y t h e4 8 0k mc o o f d ms i m u l a t i o ns y s t e mi sb u i l t t h ep o w e r l e v e li sv a r i e dt ov e r i f yt h ev a l i d a t i o no fo u rt h e o r e t i c a ld e r i v a t i o n t h e s i m u l a t i o nr e s u l ts h o w st h a t t h er e s u l to ft h et h e o r e t i c a ld e r i v a t i o ni sc o n s i s t e n t w i t hm o s tp r a c t i c a lc o m m u n i c a t i o ns y s t e m k e yw o r d s ：c o - o f d mc o m m u n i c a t i o ns y s t e mc o h e r e n t o p t i c a l c o m m u n i c a t i o nn o n l i n e a ri m p a i r m e n t s n o n l i n e a r i t yc o m p e n s a t i o n v i 声 4 k，j弋， 目录 第一章绪论0 1 1 1引言“一“”“o oooobooo oooooo ”“”“一”“”“一”0 1 1 2高速光纤通信系统中的各种关键技术0 2 1 2 1 新型调制格式0 2 1 2 2 相干光通信技术0 3 1 3 c o o f d m 系统的研究进展o oo o ooooo oo o o oo oq o 0 4 1 4 论文的主要工作0 6 第二章相干光通信原理和o f d m 系统理论0 9 2 1 相干光通信原理0 9 2 1 1 马赫曾德尔调制器原理l o 2 1 2 相干光通信发射器1 4 2 1 3 相干光通信接收器1 5 2 2 o f d m 系统理论o 6oooooooooao ooooo 1 7 2 2 1 o f d m 通信系统的基本原理和基本结构1 8 2 2 2 o f d m 通信系统的优势与劣势2 0 2 3 小结2 l 第三章c o o f d m 系统中非线性损伤机理分析2 3 3 1 光纤特性和非线性薛定谔方程2 3 3 1 1 光纤损耗2 4 3 1 2 光纤色散2 4 3 1 3 偏振模色散0 0000oooooo 2 5 3 1 4 光纤非线性2 6 3 2 色散效应对c o o f d m 信号传输的影响2 7 3 3 非线性效应对c o o f d m 信号传输的影响2 9 3 3 1 纯非线性条件下的系统非线性噪声能量芝9 3 3 2 数据相关性对系统信噪比的影响3 1 3 4 小结3 3 第四章c o o f d m 系统中非线性损伤抑制方法3 5 4 1 非线性抑制算法的发展进程3 5 4 2 s l m 方法”“”一”一”“”一”一一”一”“”“”“3 6 4 3 相位补偿法3 7 4 4 非线性抑制算法的选取准则3 8 4 5 4 、结3 9 v l i 第五章c o o f d m 系统仿真设计与实现0 0 0 oooooooooo o o 4 1 5 1 数值仿真的基本环节o oooo0ooo o oobo 0 4 1 5 2c o o f d m 仿真系统结构0 ooqo o ooo 4 2 5 3c 0 o f d m 系统仿真结果0 0 0 0 00 0 00 oo doo8 4 3 5 4 小结o ooooo 4 7 第六章c o o f d m 系统研究展望4 8 致谢”一”一“”一”“一”“一”一”“”“”“”“一”0 0 0 0004 0 攻读硕士学位期间发表的学术论文5 0 v i i i 北京邮电人学硕上学位论文 1 1 引言 第一章绪论 当今的信息社会的基础是一个史无前例的宽带通信解决方案，其支撑着诸如高速因 特网接入、移动话音沟通、数据交互、多媒体广播系统、以及大吞吐量的网格计算和远 程存取等业务。为了最大限度地满足这些应用各不相同的带宽需求，许多特性和优势各 异的通信技术j 下在被不断地接纳和采用。为了在这些技术中分出优劣，方法之一就是， 在一个给定的无再生距离条件下，比较它们的最大传输速率。 d a t ai r a 埝 图1 - 1 各种通信技术的适用范围 图1 1 比较了各种基于射频或光学的有线或无线通信技术。图中清晰地显示了光通信系 统可以在数千公里的传输距离条件下支持t b i t s 的通信容量，这使得它成为构建大容 量有线网络的理想基础技术。利用光纤中无可比拟的低损耗( o 2 d b k m ) 和超大的带宽 ( 数t h z ) ，实验室里的传输系统已经超过了1 0 0 0 0 k m 和1 0 t b s 啦捌。 尽管光通信系统的成就如此显著，但是当信息速率提高到4 0 g b i t s 以上时，许多方 面的发展也在接近极限，光纤色散和非线性效应日益突出为限制性的瓶颈因素【4 5 6 7 】。 在高速通信系统中，由于光纤对输入光脉冲的色度色散效应与信号的谱宽的平方呈 正比关系，色度色散导致的脉冲展宽尤为严重。光纤色度色散对中继距离的影响机理主 要是色度色散使传输脉冲展宽，从而产生脉冲码间干扰，这会严重限制光通信系统的中 继距离和传输速率。当色度色散引起光信号脉冲的展宽大于0 3 倍的输入脉宽时，光接 8 ui露价器uoss芝坼cm瑟p譬鬈眷窭霎田譬譬 c o o f d m 系统的r 1 卜线性损伤分析与仿真 收灵敏度就急剧下降，导致均衡困难，误码率增加。因此，在其他条件不变的情况下， 要想保证通信质量必须加大码间距，这就必须付出降低码速率、减少通信容量的代价【8 1 。 在高速通信系统中，由于脉冲边缘更为陡峭，非线性效应会因此更为强烈，系统的 性能损伤也会更为严重。一方面非线性效应会引起光脉冲谱宽的扩展，这会引起色度色 散效应的增强，时域上脉宽加速扩展，增加了码问干扰的概率；另一方面当光脉冲因非 线性效应而形状变异后，采样点的幅度会有一定的起伏，使得光通信系统对噪声的抵抗 力下降。这两方面都会导致可观的系统性能下降【9 , 1 0 】。 为了突破这些困境，光通信领域的学者们不断在开发新型调制格式和构建相干光通 信系统等方面寻找新的解决方案。 1 2 高速光纤通信系统中的各种关键技术 1 2 1 新型调制格式 在以上提及的所有解决方案中，先进的光调制格式已经成为设计现代波分复用系统 的关键所在。对先进光调制格式的选择与整个系统的总体设计有关，其中包括光纤类型、 传输系统跨度、信道数量与间隔等多方面的考虑。在考虑光纤信道物理效应对调制格式 设计产生的影响时，不仅要考虑色度色散、自相位效应，而且还要考虑偏振模色散效应、 交叉相位调制和自相位调制效应。下面简要介绍一下调制格式的相关方面： ( 1 ) 光调制格式的基本参数 在单模光纤中，光场有三个物理属性可供传输信息，那就是：幅度，相位和偏振方 向。根据调制的属性不同，调制格式可以大致分为强度调制，相位调制和偏振调制。其 中强度调制和相位调制已经得到了广泛的研究和应用，而偏振调制格式由于偏振保持器 件的不成熟而比较少受到关注。 符号信息量也是评价调制格式的个重要指标。如果某种格式的一个符号能表达m 个比特的信息，那么系统的调制速率就可以降低m 倍。其最直接的好处是信号的谱宽 因此下降到原谱宽的1 m ，这有助于使得系统的信息码率可以超过器件的电子极限，同 时系统对偏振模色散和色度色散的抵抗力也会大大提高。但是由于已有研究表明系统对 随机噪声的抵抗力会随着m 的提高而下降，所以实际设计时要综合考虑各种因素。 脉冲成型同样会影响光纤通信系统的性能。一般而言，相比非归零码，归零码要求 更为复杂的发射机结构，但它能带来对符号间干扰更为强大的鲁棒性。这在光通信系统 中是尤为重要的，因为由于带宽受限的原因，光通信器件一般对信号的频率响应都不尽 完美。同时，归零码对非线性效应也有更好的抵抗特性【1 1 , 1 2 】。 ( 2 ) 光调制格式的产生方式 由于光通信系统的传输速率受限于所能获得的电子器件的物理极限，所以在设计光 北京邮f 乜人学硕。 ：学位论文 调制格式时，仔细考虑调制和检测的硬件的实际性能是尤为重要的。而通常的情况是， 一个新的调制其结构直接导致了一种新的调制格式类型的实用化。以下三种调制器技术 已经得到了广泛的应用： 直接调制。直接调制是最容易实现的在光载波上加载数据的调制方式。在这种方式 中，数据信息先调制到激光器的驱动电流上，然后由这些电流在激光其中就转化为光束 的开启或者关闭。由这种方式得到的调制格式就是通常所说的强度调制。由于紧凑结构 和低成本的优点，直接调制器比较适合集成为可插拔的传输器。如今广泛使用的都是这 种调制器，其覆盖范围从低速直至1 0 g b s 的光通信系统，甚至有报道声称已经将其应 用到了4 0 g b s 的系统中。不过，这种调制器最主要的缺点是它不适合高速应用场景， 因为它具有内在的、高度器件相关的啁啾特性一种与强度调制直接关联的相位调制 特性。啁啾特性展宽了光信号的频谱，进而阻碍了波分复用系统的频谱密集方案，同时 会因为和光纤中色度色散交互而带来信号脉冲的畸变 1 3 , 1 4 j 。 电吸收调制器。电吸收调制器结构的带隙可以由外部加载的电压而调制，进而改变 其自身的吸收特性。电吸收调制器只需要相对较低的驱动电压和成本，因而可以应用在 当今的4 0 g b s 的调制系统中，并且已经有报道将其应用到了8 0 g b s 系统中。但是，就 如同直接调制器一样，其会带来一定程度的剩余啁啾现象。同时它的其他缺点是：与波 长有关的吸收特性，动态消光比不超过1 0 d b ，过载光功率低和高的光纤插入损耗。目 前，其与激光二极管在芯片上的集成已经克服了光线插入损耗，并且成为了一种高集成 度的发射器解决方案，目前已经应用到了1 0 g b s 的系统中【l5 1 6 l 。 马赫曾德尔调制器。区别于基于吸收原理的电吸收调制器，马赫曾德尔调制器基于 干涉原理，这种干涉受控于受调制的光信号。其提供了如下优点：波长无关的特性，优 良的消光比性能，较低的插入损耗。不过，由于其要求高达6 伏的峰峰值驱动电压，所 以必须配以宽带的驱动放大器，而这个因素在1 0 g b s 以上速率系统中也是一个极具挑 战性的问题。由于其易于控制的调制特性和可同时调制强度和相位的特点，马赫曾德尔 调制器已经成为了许多先进的现代光调制格式的实现基础【1 8 , 1 9 。本文所要研究的 c o - o f d m 调制格式就是由这种调制器产生的，其具体原理将在后文有详述。 ( 3 ) 代表性的光调制格式 强度调s t j n r z o o k ，r z - o o k ，c s r z o o k ，c r z 。 相位调制：d p s k ，q p s k ，d q p s k 。 强度+ 相位调制：c o o f d m 1 2 2 相干光通信技术 从上个世纪8 0 年代开始，人们就开始了相干光通信的理论和实验方面的研究。其 主要动力是，学者们公认相干光通信系统具有灵敏度高的优势。经过近十年的研究，已 经有可实用的相干光通信系统。比如：a t & t 及b e l l 公司于1 9 8 9 和1 9 9 0 年在宾州的罗 c 0 - o f d m 系统的1 卜线性损伤分析与仿真 灵一克旱克地面站与森伯里枢纽站间先后进行了1 3 9 m 和1 5 5 9 m 波长的1 7 g b i t sf s k 现场无中继相干传输实验，相距3 5 公罩，接收灵敏度达到4 1 5 d b m ；又如：n t t 公司 于1 9 9 0 年在濑户内陆海的大分尹予和吴站之间进行了2 5 g b i t sc p f s k 相干传输实验， 总长4 3 l 公里。到了8 0 年代末，随着e d f a 的研制成功和w d m 技术的发展，相干光 通信技术的发展渐渐冷淡下来，因为这两项技术的应用能够使i m d d 系统有着很好的 发展前景。然而，随着直接检测的w d m 系统内在的一些不可克服的缺点的逐渐摆在学 者面前，相干光传输技术的应用将再次受到重视。在最新设计的超长距离高速光通信系 统中，系统灵敏度和动态范围已经成为设计看重的关键参数，而这些正是相关光通信技 术的优势之处 2 0 2 1 1 。 在已有的高速光传输系统中，d p s k 和d q p s k 调制格式已经得到应用，这开启了 采用相位敏感的编码和传输技术的研究趋势。其中，检测灵敏度和频谱效率是这种趋势 的关键所在。其他影响系统设计者看重的关键因素还包括物理层的安全可靠性和网络的 自适应性，都可以从采用相干光技术得到好处。与传统的非相干传输系统相比，相干通 信很大的优势在于系统的动态范围方面。 从另外一个角度看，在这最近的二十年中，光器件方面的研究已经取得了很大的突 破。其中激光器的线宽、输出功率、噪声和稳定性，以及光电探测器的共模抑制比、功 率容量和带宽都得到了很大的改善，微波电子信号处理器件的性能也有了大幅提高。这 些进步使得相干光通信系统商用化变为可能。 1 3c o o f d m 系统的研究进展 在过去的二十年中，o f d m 一直被看作是无线通信领域中先进的物理层接口技术。 这是一种特殊的宽带多载波调制格式，数据流被分散地承载于许多低速率的子载波上。 o f d m 可以对抗移动通信环境中的频率选择性衰落，这个特点已经被移动通信领域的学 者进行了广泛的研究并进行了充分的应用。目前，o f d m 已经被应用到了局域网协议， 视频和音频广播标准中。 c o - o f d m 是o f d m 调制格式在光通信系统中的最新应用。相对于传统的基于脉冲 式光通信调制格式，c o o f d m 具有很大的优势。主要表现在以下几个方面： ( 1 ) 由色度色散效应和偏振模色散效应所造成的损伤可以被估计和补偿。 ( 2 ) 由于相邻子载波的频谱相互重叠，所以o f d m 调制格式的频谱效率相对高。 ( 3 ) 可以利用成熟的d s p 技术实现系统均衡。 ( 4 ) 系统兼容性和扩展性好，可以利用对信号的分析来进行信道监控。 因此，自2 0 0 5 年英国的n e j o l l e y 和j m t a n g 等人在o f c 2 0 0 5 首次提出将 o f d m 技术应用于光纤信道传输后，c o o f d m 技术在光通信领域受到了广泛关注，被 北京邮电大学硕l 学位论文 认为是实现1 0 0 g 和超1 0 0 g 传输速率的重要候选方案。在2 0 0 8 年光通信领域顶级的 国际会议o f c 2 0 0 8 和e c o c 2 0 0 8 会议上，与c o o f d m 相关的报告成为了会议的热点 之一，都设立了单独的研讨会。研究者们就c o o f d m 系统面临的理论问题、系统方案 和实验系统等进行了深入和广泛的研究【2 2 , 2 3 1 。 1 3 。l 实验系统 第一个被报告的c o o f d m 传输试验系统传了10 0 0 公里，在一个信道里实现了 8 g b s 的传输速率。之后，越来越多的传输试验系统被报告，传输速率被快速地提高到 5 0 g b s 。最近，1 0 0 g b s 和1 t b s 的c o o f d m 传输试验系统已经在实验室宣告成功。 第一个采用偏振分集的c o o f d m 系统也已经被报道，在该报道中，c o o f d m 对偏振 模色散的抵抗特性被有效地证明。这些里程碑式的成就足以证明c o o f d m 是一种很有 吸引力的、下一代高速光网络的解决方案。 1 3 2 信道估计 在无线信道中，o f d m 系统的信道估计主要是用来对抗无线信道的时变特性。而当 光功率比较低时，光纤中的非线性效应比较弱，这时光纤对信号的影响主要是色度色散 作用，信道可以近似看作一个线性时不变信道。在这种系统中，信道估计模块的主要作 用就是通过对信号进行预补偿或后补偿，抵抗光纤的色度色散作用，同时也用来抵抗发 端和收端激光器本振的随机失配。在目前已发表的c o o f d m 文献中，主流的信道估计 算法主要分为导频辅助和数据辅助两种类型，其中，导频辅助算法需要消耗一定比例的 带宽资源，不过其估计精度比较高，可以对抗大噪声；而数据辅助算法不需要占用信道 带宽，其代价是计算量比较大，容噪性较差。 1 3 3 非线性损伤对c o o f d m 系统性能的影响 在长途传输应用中，光纤的克尔非线性效应将限制c o o f d m 系统的信号质量，进 而限制信噪比。这是因为，c o o f d m 系统中的各个子载波紧密相临地分布在系统带宽 内，载波走离效应相当弱，导致了强烈的四波混频效应的产生。已有文献详细地讨论了 非线性噪声总能量与系统内各物理参数的依赖关系，并提出了总噪声能量与所传输数据 的相关性的有密切联系。同时期的研究结果表明，利用经典附加相位方法来降低数据相 关性，可以间接地降低系统的非线性噪声，不过这样会带来系统容量的损失和计算量的 增大。另一类抑制非线性损伤的方法是从非线性薛定谔方程的简化式出发，求解光信号 的非线性相位偏转并补偿之，这被仿真证明会使得o 因子提高若干d b 。 1 3 4 偏振模色散对c o o f d m 系统性能的影响 p m d 对o o f d m 系统性能的影响分为两种，一种是导致脉冲展宽，引起i s i ，另一种 c o o f d m 系统的1 卜线性损伤分析与仿真 是引起偏振态( s o p ) 随频率的变化。由p m d 导致的脉冲展宽所引起的i s i 可以通过加保 护带的办法消除，这一点和色度色散引起的脉冲展宽的解决办法一致。p m d 还引起随频 率的偏振态( s o p ) 发生变化，而载波和副载波之间的s o p 对不准会使得信号经受衰落， 导致c o o f d m 系统的代价增加。 为了补偿p m d 对s o p 的影响效应，澳大利亚墨尔本大学的w s h i e h 研究组研究了在 c o o f d m 系统中联合偏振分集( p o l a r i z a t i o nd i v e r s i t y ) 和接收机的d s p 技术，不仅可以 消除p m d 对系统性能的影响，p m d 效应的存在还降低了由偏振相关损耗( p d l ) 和非线 性相位噪声引起的系统损伤。 1 4 论文的主要工作 作者属于北邮先进光网络成立的8 6 3 研究课题c o o f d m 研究组。本研究组的目标 是跟踪当前国际上的相干光正交频分复用技术的研究热点并在理论研究方面争取一定 的突破。在项目组成立的一年多来，本研究组在文献调研，仿真软件设计实现和理论研 究创新等方面取得了很大的进展。作为项目组研究成果的一部分，本文的主要工作如下： ( 1 ) 基于光纤信号演化所遵循的非线性薛定谔方程，结合c o o f d m 信号的具体形 式，推导并得到了描述c o o f d m 通信系统中非线性损伤机理的较为精确的模型，给出 了由光纤非线性效应所约束的信噪比上限。其中，本文明确地求得了了c o o f d m 系统 的非线性损伤与系统各种参数( 功率，传输距离，信道数) 的依赖关系。 ( 2 ) 基于理论推导所得到的非线性损伤模型，首次指出了数据相关性会加剧非线性 损伤这一c o o f d m 通信系统特有的性质。同时，给出了一个衡量c o o f d m 系统中数 据相关性大小的量化指标，提出并研究了该指标作为均衡算法优化准则的可行性。 ( 3 ) 构建了c o o f d m 系统级仿真系统并对理论推导结果进行了验证。在本实验室 的m a t l a b 实现的c o o f d m 仿真平台上，搭建了4 x 8 0 k m 的c o o f d m 仿真系统。分 别光信号功率水平取不同值的情况下，验证理论推导结果的正确性。在数值仿真实验中， 新提出的量化标准的有效性得到了验证，也讨论了色度色散对该指标准确度的影响。 参考文献 【1 】h k o g e l n i k ，b h i g h - c a p a c i t yo p t i c a lc o m m u n i c a t i o n s ：p e r s o n a lr e c o l l e c t i o n s ，i e e ej s e l t o p i c s q u a n t u me l e c t r o n ，v 0 1 6 ，n o 6 ，p p 1 2 7 9 - - 1 2 8 6 ，n o v d e c 2 0 0 0 【2 】一o n o p t i c a lc o m m u n i c a t i o n ：r e f l e c t i o n sa n dp e r s p e c t i v e s ，i np r o c e u r c o n f o p t i c a l c o m m u n i c a t i o n ( e c o c ) ，2 0 0 4 ，p a p e rm o 1 1 1 北京邮电人学硕上学位论文 【3 】p e t e rj w i n z e r , s e n i o r , a n d r e b e j e a ne s s i a m b r e ，a d v a n c e do p t i c a lm o d u l a t i o nf o r m a t s ，i np r o c o ft h ei e e e ，v 0 1 9 4 ，n o 。5 ，m a y2 0 0 6 【4 】y f r i g n a c ，g c h a r l e t ，w i d l e r , r d i s c h l e r ，p t r a n , s b s l a n n e ，c m a r t i n e l l i ，g v e i t h ，a j o u r d a n ，j - p h a m a i d e ，a n ds b i g o ，t r a n s m i s s i o n o f2 5 6w a v e l e n g t h d i v i s i o na n d p o l a r i z a t i o n - d i v i s i o nm u l t i p l e x e dc h a n n e l sa t4 2 7g b s ( 1 0 2t b sc a p a c i t y ) o v e r3 10 0k mo f t e r a l i g h tf i b e r , i np r o c o p t i c a lf i b e rc o m m u n i c a t i o nc o n f ( o f c ) ，2 0 0 2 ，p a p e rf c 5 【5 】g c h a r l e t ，e c o r b e l ，j l a z a r o ，a k l e k a m p ，r d i s c h l e r , p t r a n , w i d l e r ，h m a r d o y a n ，a k o n e z y k o w s k a ，f j o r g e ，a n ds b i g o ，w d mt r a n s m i s s i o na t6t b i t sc a p a c i t yo v e rt r a n s a t l a n t i c d i s t a n c ea n du s i n g4 2 7g b sd i f f e r e n t i a lp h a s e - s h i f tk e y i n gw i t h o u tp u l s ec s r v e r ，i np r o c o p t i c a l f i b e rc o m m u n i c a t i o nc o n f ( o f c ) ，2 0 0 4 ，p a p e rp d p 3 6 【6 】a h c m a u c k , g r a y b o n ，s c h a n d r a s e k h a r , j l e u t h o l d ，l s c d o e r r , a a g a r w a l ，s b a n e r j e e ，d g r o s z ，s h u n s c h e ，a m a k u n g ，d m a y w a r , m m o v a s s a g h i ，x l i u ，c x u ，x w d ，a n dd m g i l l ，2 5t i ) s ( 6 4 4 2 7g b s ) t r a n s m i s s i o no v e r4 0 1 0 0k mn z d s f u s i n gr z d p s kf o r m a ta n d a l l - r a m a na m p l i f i e ds p a n s ，i np r o e o p t i c a lf i b e rc o m m u n i c a t i o nc o n e ( o f c ) ，2 0 0 2 ，p a p e rf c 2 【7 】c r a s m u s s e n ，t f j e l d e ，j b e n n i k e ，f l i u ，s d e 5 , p m b m i k k e l s e n ，p s e r b e ，p v d e rw a 伊，y a k a s a k a ，d h a r r i s ，d g a p o n t s e v , v i v s h i n ，a n dp r e e v e s - h a l l ，d w d m4 0gt r a n s m i s s i o no v e r t r a n s p a c i f i cd i s t a n c e ( 1 0 ，0 0 0k m ) u s i n gc s r z d p s ka n de n h a n c e df e ca n da l l - r a m a na m p l i f i e d1 0 0 k mu l t r a w a v ef i b e rs p a n s ，i np r o c