论文题目：高速光纤通信系统不同信号损伤下的性能增强技术研究
摘要：面对海量数据传输需求,高速光纤通信系统物理层信号损伤难题需要通过性能增强技术进一步解决。本文研究了光传输系统中所面对的发射机直调啁啾效应、光纤偏振效应、接收机色散-平方率探测致信号自拍干扰（Signal-signal beating interference,SSBI）三大效应和概率整形技术下数字信号处理（Digital signal processing,DSP）损伤的性能增强技术。根据效应在不同系统中作用强度的特异性,将系统分为直接调制相干接收系统、偏振复用相干探测系统和强度调制直接检测（Intensity modulation/direct detection,IM/DD）系统进行专项研究。在直接调制相干接收高速通信系统中,重点对如何利用直调激光器（Direct modulated laser,DML）啁啾效应展开研究。通过变“啁啾阻碍传输”为“啁啾利于传输”,构建了直调相干系统的多输入多输出（Multi-input multi-output,MIMO）分集模型。通过接收机端对啁啾效应的有效利用,同时对强度和频率维度进行解调;通过DML注入锁定技术实现瞬态啁啾利用,同时对强度和相位进行解调。对于探测到的频率或相位调制信号,引入三阶沃尔泰拉非线性均衡对啁啾调制信号进行补偿,相比于强度调制更容易获得优于线性均衡的传输性能。通过DML强度、频率和相位调制的光纤传输实验,发现并验证了频率和相位调制更适合低接收光功率和长距离传输。为了在保证传输性能的同时降低算法复杂度,本文在直调相干系统中舍去强度调制信号探测,直接采用绝热啁啾调频信号探测与神经网络均衡器,实验验证了C波段23 Gb/s四电平脉冲幅度调制（4-ary pulse amplitude modulation,PAM-4）信号2800 km和46 Gb/s PAM-4信号大于1000 km的标准单模光纤传输性能。单偏振速率距离积接近国际实验纪录,且本成果无需DML温控和频偏补偿。在偏振复用相干高速通信系统中,重点对DSP损伤和偏振效应补偿问题展开研究。其一,针对概率整形系统中传统最大似然（Maximum likelihood,ML）和最大后验（Maximum a posterior,MAP）检测等价最优性被星座图概率分布破坏问题,提出在光纤传输中使用MAP最优检测及其简化方案,实验发现MAP判决在相干光正交频分复用（Orthogonal frequency division multiplexing,OFDM）系统中可能存在高至0.5 d B的光信噪比（Optical signal-to-noise ratio,OSNR）增益,验证了简化MAP判决方案对DSP残余效应的鲁棒性。其二,针对CMA对概率整形星座图失效的问题,提出了具有误差整形的恒模算法（Error shaped constant modulus algorithm,ES-CMA）,该均衡器可以实现所有信源熵下的偏振解复用与信道均衡。其三,针对数据辅助与判决导引的线性卡尔曼滤波器（Conventional Kalman filter,CKF）在低信噪比和极限扰偏速率下的性能受限问题,通过修改测量方程,提出了改进的线性卡尔曼滤波器（Modified Kalman filter,MKF）,首次理论分析了MKF对测量方程细微修改下的意义,揭示了跟踪性能提升的根本原因——跟踪阶段噪声容忍性增强。仿真发现,相比于CKF,MKF具有3 d B左右OSNR增益,在OSNR为24d B时,MKF的快偏跟踪能力从CKF的22 MHz提高至37 MHz,且具有更高的协方差参数初始化灵活度。在IM/DD高速通信系统中,针对光纤色度色散-平方律探测导致的严重非线性干扰,基于类Gerchberg-Saxton场恢复迭代,建立了IM/DD系统多平面场恢复模型。为了提高算法全局最优性,依次构建了连续幅度符号平面、离散幅度符号平面和时间依赖比特平面,依次引入了导频符号、随机判决符号和重用的编码冗余,对应地提出了数据辅助加速迭代算法（Data-aided iterative algorithm,DIA）、判决导引的数据辅助迭代算法（Decision-directed DIA,DD-DIA）、多约束迭代算法（Multiconstraint iterative algorithm,MCIA）。MCIA可以实现C波段“色散-平方律检测”信道下超过100 Gb/s 400 km的色散补偿,预示着该距离下IM/DD系统可能仅由噪声主导。为了降低三种算法对实验信道建模误差的敏感度,提出了带限信道下的混合MCIA和初始色散估计误差容忍性增强的自适应色散参数估计器。混合MCIA首次综合了信道均衡技术和G-S场恢复技术,用一对线性均衡器对MCIA中信道欠拟合的响应进行补偿和再生,使信道非理想特性对MCIA透明。自适应色散参数估计器,通过第一级初始化和第二级参数跟踪,使MCIA对色散估计误差的容忍性提升了约17.9倍,传输距离估计误差动态范围达到39.3 km。最后,本工作通过C波段112 Gb/s 100 km的PAM-4高速传输实验进行了算法验证,该传输容量为11.2 Tb/s·km,为截至2022年3月的最高纪录。整套接收机场恢复算法的均衡器仅为低复杂度的线性均衡,在提升信道均衡能力的同时降低了复杂度。本文工作通过对高速系统物理层信号的三种信道损伤和DSP损伤的利用与补偿,实现了相应系统的速率、距离和收发机算法鲁棒性的显著提升,解决了对应系统中存在的高速通信信号传输问题。
关键词：高速光纤传输;激光器啁啾;偏振复用;概率整形;光场恢复
学科专业：通信与信息系统
摘要
abstract
主要符号表
缩略词表
第一章 绪论
1.1 选题依据与研究意义
1.2 国内外研究现状
1.2.1 直接调制啁啾损伤的研究现状
1.2.2 偏振复用系统偏振效应和信号DSP损伤的研究现状
1.2.3 直接检测系统线性化的研究现状
1.3 本文研究工作
1.3.1 直接调制相干接收系统的啁啾增强光传输
1.3.2 偏振复用相干系统最优检测与偏振串扰均衡
1.3.3 IM/DD系统针对大色散效应的线性化
1.4 贡献与创新点
1.5 论文架构
第二章 直调相干探测系统下的啁啾效应利用
2.1 直调相干接收系统的MIMO模型
2.1.1 直接调制DFB激光器发射端调制分集
2.1.2 接收端相干探测的相位分集
2.1.3 接收信号的表示
2.2 MIMO-DM/CD系统的信号分集合并方案
2.2.1 性能优化:幅度相位联合合并
2.2.2 接收机简化:并行信道下选择性合并
2.3 Volterra均衡辅助的激光器啁啾调控方案
2.3.1 利用DML实现频率调制
2.3.2 利用注入锁定DML实现相位调制
2.3.3 Volterra均衡器的啁啾均衡模拟
2.4 基于DML的 IM、FM和 PM光纤传输实验
2.5 基于低成本DML频率调制的长距传输实验
2.6 本章小结
第三章 偏振复用相干接收系统检测与均衡技术研究
3.1 系统模型与均衡器模型研究
3.1.1 偏振复用信道的MIMO模型
3.1.2 信号损伤补偿策略的依赖因素
3.1.3 概率整形技术的引入与新问题
3.2 概率整形技术下信号最优检测方案研究
3.2.1 概率整形星座图的最优判决域与MAP判决方法
3.2.2 简化的最大后验概率检测
3.2.3 概率整形信号的高速光纤传输实验验证
3.3 概率整形偏振解复用盲均衡算法研究
3.3.1 适用于概率整形系统的恒模盲均衡器设计
3.3.2 改进盲均衡器的有效性验证
3.4 快速偏振态变化下线性卡尔曼均衡方案研究
3.4.1 改进的线性卡尔曼滤波
3.4.2 性能提升的理论分析
3.4.3 改进算法的性能提升验证
3.5 本章小结
第四章 强度调制直接探测系统场恢复技术研究
4.1 点对点信道的多平面线性化模型
4.2 IM/DD系统下场恢复问题的特殊性
4.3 数据辅助的线性化场恢复算法
4.3.1 导频符号插入原理与方法
4.3.2 传输性能、收敛性能改善与参数敏感性研究
4.4 判决导向数据辅助的线性化场恢复算法
4.4.1 伪导频原理与随机插入策略
4.4.2 传输性能、收敛性能与色散误差容忍性改善
4.5 多约束下的加速迭代算法
4.5.1 编码冗余重用与多约束一般化算法
4.5.2 传输性能、差错传播与收敛性能的比较研究
4.6 带限容忍的混合多约束线性化算法
4.6.1 用于实验系统的均衡-约束联合原理
4.6.2 带限传输系统下的鲁棒性研究
4.7 色散估计误差容忍性提升方案
4.7.1 两级色散参数估计器原理
4.7.2 多算法色散参数容忍性对比
4.8 自适应混合多约束迭代算法的高速实验验证
4.8.1 112 Gb/s 100 km C波段IM/DD PAM-4传输实验配置
4.8.2 实验传输性能与收敛结果对比
4.9 本章小结
第五章 总结与展望
致谢
参考文献