超信道數(shù)字相干光纖通信系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、伴隨著視頻會(huì)議、交互式游戲、云計(jì)算等高帶寬網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)的逐漸普及，光纖骨干傳送網(wǎng)容量迅猛增加。作為國(guó)家網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)與發(fā)展的核心，骨干傳送網(wǎng)的帶寬壓力日益增大，大幅度提升骨干傳送網(wǎng)的傳輸容量勢(shì)在必行?？紤]到網(wǎng)絡(luò)有限的頻譜資源，頻譜效率提升成為了未來光傳送網(wǎng)設(shè)計(jì)中必須要考慮的因素。為了克服由于單純提高單信道波特率而面臨的光電器件工作帶寬限制，基于數(shù)字相干探測(cè)的超信道傳輸技術(shù)由于能夠有效地提高系統(tǒng)頻譜效率、滿足業(yè)務(wù)應(yīng)用對(duì)帶寬的需求而受到廣泛的

2、研究。另一方面，未來的光傳送網(wǎng)要具備適應(yīng)不同業(yè)務(wù)需求的動(dòng)態(tài)帶寬分配能力，我們通過調(diào)控子載波的數(shù)量、調(diào)制碼型、波特率可以實(shí)現(xiàn)可變速率和帶寬的超信道傳輸，以滿足未來靈活光網(wǎng)絡(luò)的需求。總而言之，實(shí)現(xiàn)超信道傳輸是未來新一代通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展的重要挑戰(zhàn)，相關(guān)研究對(duì)國(guó)家的信息基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)有著重要意義。論文圍繞構(gòu)建數(shù)字相干超信道光纖傳輸系統(tǒng)以及數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)開展了深入研究，主要研究?jī)?nèi)容及創(chuàng)新性研究成果如下：
　　(1)提出了一種基于offset

3、-16QAM調(diào)制碼型和接收端數(shù)字頻譜整形（RS-DSS）的奈奎斯特波分復(fù)用超信道（Nyquist-WDM Superchannel）傳輸方案，考慮7％的前向糾錯(cuò)編碼開銷，頻譜效率可達(dá)7.44bit/s/Hz。研究證明，該方案能夠有效抑制奈奎斯特信道間隔條件下多波長(zhǎng)信道間的串?dāng)_。仿真中對(duì)3×224Gbps Nyquist-WDM Superchannel開展研究，相比采用16QAM和RS-DSS的Nyquist-WDM Superchan

4、nel方案，提出的方案在背靠背傳輸（B2B）條件下有1.4dB所需光信噪比的提升（給定BER=10-3）。另外該方案在經(jīng)過960km標(biāo)準(zhǔn)單模光纖傳輸后依然可以達(dá)到無誤碼傳輸?shù)拈撝狄蟆＿M(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，即使多波長(zhǎng)信道間相位差從0度變化到360度，所需光信噪比代價(jià)最高僅有1.8dB；作為比較，對(duì)于僅在發(fā)射端采用offset-16QAM的方案，是不可能實(shí)現(xiàn)無誤碼傳輸?shù)?，充分?yàn)證了RS-DSS技術(shù)對(duì)超信道傳輸性能提升的支撐作用。
　　(2

5、)深入地研究了采用發(fā)射端頻譜整形技術(shù)（TS-DSS）后，offset-16QAM和16QAM Nyquist-WDM Superchannel傳輸性能。從TS-DSS實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度、系統(tǒng)對(duì)發(fā)射機(jī)帶寬容忍度、數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）時(shí)鐘抖動(dòng)容忍度等多個(gè)技術(shù)指標(biāo)出發(fā)，對(duì)兩種方案進(jìn)行了對(duì)比。研究發(fā)現(xiàn)，對(duì)于16QAM系統(tǒng)，發(fā)射端頻譜整形濾波器長(zhǎng)度需要達(dá)到81個(gè)抽頭才能獲得最優(yōu)系統(tǒng)性能。而對(duì)于offset-16QAM系統(tǒng)，發(fā)射端頻譜整形濾波器長(zhǎng)度只需35

6、抽頭，因而能夠降低發(fā)射機(jī)的復(fù)雜度。同時(shí)在背靠背傳輸條件下，offset-16QAM系統(tǒng)相對(duì)于16QAM系統(tǒng)在接收靈敏度上具有1.3dB增益。研究還發(fā)現(xiàn)offset-16QAM系統(tǒng)在DAC時(shí)鐘抖動(dòng)、采樣速率、分辨率上相比于16QAM系統(tǒng)也有著更高的容忍度。
　　(3)提出了一種相位噪聲容忍度高的基于聯(lián)合數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的16QAM Nyquist-WDM Superchannel方案。通過在3通道均衡器后使用數(shù)字頻譜整形（DSS）和

7、最大似然序列探測(cè)（MLSD），能夠有效的增加系統(tǒng)對(duì)濾波效應(yīng)的容忍度。對(duì)3×224Gbps Nyquist-WDM Superchannel進(jìn)行數(shù)值仿真發(fā)現(xiàn)，相比于傳統(tǒng)的聯(lián)合數(shù)字信號(hào)處理方案，所提方案在背靠背傳輸條件下有1.8dB所需光信噪比的提升（給定BER=10-3）。經(jīng)過了960km標(biāo)準(zhǔn)單模光纖傳輸后，在最佳入纖功率條件下，所提方案有0.9dB的Q2因子提升。最后對(duì)相位噪聲容忍度研究發(fā)現(xiàn)，在給定1dB所需OSNR的代價(jià)（給定BER=

8、10-3），所提方案可以將系統(tǒng)的線寬容忍度從80kHz提升到了230kHz。
　　(4)針對(duì)未來大容量的傳輸系統(tǒng)，提出了一種相位噪聲容忍度高、部署復(fù)雜度低的載波相位恢復(fù)算法（CPR）。通過對(duì)傳統(tǒng)盲相位搜索（BPS）載波相位恢復(fù)算法進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)相位測(cè)試角和相應(yīng)的距離矩陣之間存在二次關(guān)系,因而提出采用級(jí)聯(lián)的BPS算法以及二次近似（QA）算法進(jìn)行載波相位恢復(fù)。相比于傳統(tǒng)BPS算法以固定的步長(zhǎng)盲目開展相位搜索，所提QA算法能有效地加快相

9、位搜索的速度。對(duì)于16/64/256QAM而言，當(dāng)采用所提相位恢復(fù)算法時(shí)，相應(yīng)的加法/乘法復(fù)雜度降低了2.96/3.05,4.55/4.67和2.27/2.3倍。此外，在給定最佳相位恢復(fù)窗口的情況下，我們提出的相位恢復(fù)算法和傳統(tǒng)的BPS具有相似的線寬容忍度。
　　(5)針對(duì)于未來的靈活光網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)了一種基于調(diào)制碼型識(shí)別（MFI）技術(shù)的無中斷相干收發(fā)機(jī)。該收發(fā)機(jī)采用分塊判決引導(dǎo)的最小均方根（DD-LMS）均衡器來進(jìn)行信道均衡以及采用基

10、于導(dǎo)頻符號(hào)的超標(biāo)量鎖相環(huán)來進(jìn)行載波相位恢復(fù)。為了實(shí)現(xiàn)MFI，我們將調(diào)制碼型的信息加載到用于載波相位恢復(fù)的BPSK導(dǎo)頻符號(hào)上。因此，無需額外開銷可以實(shí)現(xiàn)MFI。實(shí)驗(yàn)證明，我們提出的MFI方案對(duì)QPSK，16QAM，64QAM，Hybrid QPSK/8QAM以及陪集分割（SP）512QAM傳輸系統(tǒng)不會(huì)帶來性能惡化。此外，所設(shè)計(jì)的無中斷相干收發(fā)機(jī)能夠識(shí)別快速調(diào)制碼型變化。在6400千米標(biāo)準(zhǔn)單模光纖的傳輸實(shí)驗(yàn)中，驗(yàn)證了Hybrid QPSK/