我国发展光纤通信论文提纲

论文题目：光纤通信系统中基于Kalman滤波器的信号损伤均衡的研究

摘要：光纤通信技术正在以让人震撼的脚步飞速发展。超高速、超大容量和超长距离是光纤通信系统永恒的追求。20世纪80年代,光纤通信系统的速率只有1Gb/s。20世纪90年代,光纤通信系统的传输速率突破10Gb/s。到21世纪初,由于偏分复用（PDM）、高阶调制、空分复用等各种增加系统容量技术的提出,以及相干检测和数字信号处理（DSP,Digital Signal Processing）模块的集成化,使得单波长信道速率达到100Gb/s,甚至是400Gb/s。到2010年前后,100Gb/s单载波PDM-QPSK相干光传输系统得到大规模商用,普遍应用于我国的骨干网中。相干检测技术和DSP数字信号处理技术受到越来越广泛的关注。通过将DSP数字信号处理模块集成到接收端的相干接收机中,使得光信号在光纤中传输时经受到的各种损伤可以利用相应的DSP算法在电域来补偿和均衡。因为相干检测技术和DSP算法的优越性,Tb/s和Pb/s系统的商用化也将指日可待。基于DSP数字信号处理模块的偏分复用相干光通信系统是未来超高速率、超大容量、超长距离的光纤通信系统发展的趋势,因此,针对相干光通信系统开展相关的研究是十分必要的。光信号在光纤中传输,不可避免的会受到各种线性和非线性损伤,本文主要针对线性损伤做深入研究,线性损伤主要包括:损耗,色度色散（CD）,偏振效应相关损伤,以及载波失配等的影响。针对各种损伤,研究者们已经提出了多种相应的DSP数字信号处理算法,有效地均衡了这些损伤。但是随着光纤通信系统速率的快速提升、信号调制格式的升级,适用于低速率、低调制格式的DSP均衡算法已经越来越不适用于高速光纤通信系统信号损伤均衡的需求。本文围绕偏分复用相干光通信系统中信号的损伤均衡这一主题展开研究,深入研究了光纤通信系统中光信号损伤的物理机制,并给出了各种损伤的数学模型。基于DSP技术,介绍了传统的信号损伤均衡算法,并且提出了基于扩展卡尔曼（EKF,Extended Kalman Filter）滤波算法的信号损伤均衡技术。主要研究工作如下:（1）阐述了光纤通信中信号损伤的物理机制和各种损伤的数学模型,分析了各种信号损伤对光纤通信系统的影响,指出随着系统传输速率的提升,直接检测光纤通信系统已经无法抵抗这些损伤带来的负面效应,相干光通信系统应运而生。随后介绍了相干光通信系统的结构原理,包括发射端和接收端的实现原理。利用Matlab仿真软件搭建了相干光通信系统,通过仿真验证了信号损伤数学模型的正确性。（2）分析了相干光通信系统中针对各种损伤的均衡算法的优缺点。提出基于EKF滤波器的一体化信号损伤均衡算法,可以有效均衡多种信号损伤,包括偏振效应损伤（偏振旋转RSOP、偏振模色散PMD、偏振相关损耗PDL）,载波频率偏移（CFO,Carrier Frequency Offset）和载波相位噪声（CPN,Carrier Phase Noise）。分析了其原理,通过仿真验证了其可行性。（3）基于112Gbit/s的Nyquist-PDM-QPSK系统,我们对提出的两阶段级联的EKF算法的性能、收敛速度和复杂度进行了仿真验证,并且和传统的CMA+IMP+BPS算法和CMA+IMP+V-V算法进行了比较。结果表明,新算法对PDL的容忍度达到14dB,相当于传统算法的3倍。新算法对PMD的容忍度达到了 0.5T0,在传统算法的基础上有小幅度的提升。对于RSOP损伤,我们详细分析了文献中提到的三种RSOP数学模型之间的关系,在此基础上给出了三种RSOP损伤模型均适用的均衡算法,新算法对RSOP的容忍度分别达到了1800μrad/symbol,2000μrad/symbol,1200μrad/symbol,相当于传统算法的10倍。最后,新算法对CFO的容忍度达到[-3GHz,3GHz],对线宽符号乘积的容忍度达到1×10-3,和传统算法相比,新算法对CFO的估计误差更低,性能更加稳定。通过比较可以发现,新算法的收敛速度更快,复杂度更低。

关键词：相干光通信系统;偏振效应;载波频率偏移;载波相位噪声;EKF滤波器

学科专业：电子科学与技术

摘要

ABSTRACT

第一章 绪论

1.1 光纤通信系统的发展与挑战

1.2 光纤通信系统信号损伤均衡的目的及意义

1.3 光纤通信系统信号损伤均衡算法的研究现状

1.4 论文研究内容及结构安排

参考文献

第二章 相干光通信系统基础理论

2.1 光纤信道损伤

2.1.1 损耗

2.1.2 色散

2.1.3 偏振效应相关损伤

2.2 相干光通信系统

2.2.1 发射机

2.2.2 数字相干接收机

2.2.3 载波频率偏移与载波相位噪声

2.3 偏分复用系统

2.3.1 偏分复用系统基本原理

2.3.2 偏分复用系统基本结构

2.4 本章小结

参考文献

第三章 光纤通信系统信号损伤均衡算法

3.1 光纤通信信号均衡算法

3.1.1 色散补偿

3.1.2 偏振效应均衡算法

3.1.3 载波頻偏估计

3.1.4 载波相位恢复

3.1.5 DSP模块算法流程

3.2 EKF滤波算法理论

3.3 本章小结

参考文献

第四章 基于EKF滤波器的信号损伤均衡算法的研究

4.1 信道模型和基于EKF滤波器的两阶段级联均衡算法的模型

4.1.1 信道模型

4.1.2 基于EKF滤波器的两阶段级联均衡算法的模型

4.2 基于EKF滤波器的偏振效应均衡算法

4.2.1 基于EKF滤波器的偏振效应均衡算法原理

4.2.2 基于EKF滤波器的偏振效应均衡算法性能比较与分析

4.3 基于EKF滤波器的载波恢复算法

4.3.1 基于EKF滤波器的载波恢复算法原理

4.3.2 基于EKF滤波器的载波恢复算法性能比较与分析

4.4 基于EKF滤波器的两阶段级联均衡算法

4.5 存在的问题

4.6 本章小结

参考文献

第五章 总结与展望

5.1 工作总结

5.2 下一步工作计划

缩略词对照表

致谢