文爱军老师-光编码调制基础研究-3

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,综合业务网理论及关键技术国家重点实验室,光编码光调制研究工作体会,文爱军2021-1-14,摘要,光信道编码,光调制格式,光OFDM调制,光纤毫米波调制,光调制器件,摘要,光信道编码,光调制格式,光OFDM调制,光纤毫米波调制,光调制器件,光传输信道编码,前向纠错FEC方法应用在高速光通信中，能够延长光信号的传输距离，降低光发射机发射功率，最早在超长距离的海底光缆系统中得到应用。随着陆地光通信系统的开展，单信道速率不断提升，复用信道数目变大，过失控制技术成为必不可少的一局部。,由于光纤通信系统高速率、高效率的要求，检错重传方式几乎是不可能的，因此，在光通信系统中为了实现过失控制一般需要采用前向纠错技术。FEC不会过多地加大系统本钱，但却可明显地改善光通信系统的误码率性能，降低设备要求容限和系列本钱，提高系统通信的可靠性。,光传输信道编码,参加FEC的光传输系统例如：,电域的很多性能较好的码在光通信中不能取得理想效果，主要由于光线信道的一些特性，比方：,信息速率高100Gb/s),非线性(自相位调制，布里渊散射，四波混频效应),色散(偏振模色散，频率色散,具有上述特点的光纤信道和一般高斯信道各自容量比照方以下图所示,光传输信道编码,传统AWGN信道容量特性,测试的光纤信道容量特性,光传输信道编码,光信号在光纤中的演化满足如下的非线性薛定谔方程：,想要建立准确的光纤信道模型，那么必须求解薛定谔方程。对于一般形式的薛定谔方程，求解它是非常困难的。目前现有的做法都是对信道模型进行简化，比方说考虑无色散的情况，或者将非线性近似为乘性噪声等等。,其中，表示光信号，表示噪声衰减，表示色散，表示科尔非线性。,光传输信道编码,不同于传统电通信，在光纤通信中，所关心的误码率在 范围的数量级，因此需要采用误码平层很小的编码方式。,在衡量标准上，光纤通信中习惯用Q值表示电通信中的信噪比的概念。同时，在衡量编码增益的时候需要考虑码率的影响。,由于光通信中很高的信息速率，在电域完成编码的时候必须得要先分成n路分别编码后再合路后进行传输。同时对电域的编码速率要求非常高，因此必须要采用复杂度很低的编码算法。,现有的和研究较多的光传输信道编码：,RS码：编译码算法简单，硬件实现速度快，性能稍差；,Turbo码：性能良好，逼近香农限，译码复杂度高；,LDPC码：性能良好，逼近香农限，译码算法简单，编码复杂度稍高。,我们需要研究并分析现有的信道编码方式和新型信道编码方式在光纤通信系统中的性能，以及与各种调制方式结合后的性能，提出适合于高速光纤通信系统的信道编码方案，要有逼近香农限的良好性能，很低的过失平层，并且编码和译码算法的复杂度要尽量的低。,光传输信道编码,现有光传输信道编码标准主要采用RS码和BCH码。我们研究并分析现有的信道编码方式和新型信道编码方式在光纤通信系统中的性能，以及与各种调制方式结合后的性能，提出适合于高速光纤通信系统的信道编码方案。,OTU4,目前有两种方案，采用130Gbps的速率承载3个ODU3，或者采用112Gbps的速率承载100G以太网，,FEC开销小于7%,。,光传输信道编码,按照ITU-T的规定，ODU1、ODU2和ODU3具体结构和误码要求都已有既定标准，端到端的误块率块的大小是438248=122368 比特，其中只要有一个误码，就算误块要求为：ODU1是 ，ODU2是 ，ODU3是 ，ODU4的误块率要求为 ，即误码率要求大约为 ，我们将重点研究适合于OTU4的前向纠错方案，并提交相应的国际标准提案。,重点研究LDPC码，即低密度奇偶校验码Low Density Parity Check Code，LDPC不仅有逼近Shannon限的良好性能，而且译码复杂度较低,结构灵活，是近年信道编码领域的研究热点。它的性能优于其他码型,且具有较大灵活性和较低的过失平层特性(error floors)，而且描述简单，对严格的理论分析具有可验证性，同时译码复杂度低,还可实现完全的并行操作,硬件复杂度低,适合硬件实现，吞吐量大，极具高速译码潜力。,光传输信道编码,研究方向：,寻找性能优译码简单的信道码如：a准循环LDPC码 b不规那么LDPC码,降低超长距离光纤信道可靠传输的误码率：a选择适宜的星座点,Constellation Design b优化编码调制方案,Coded Modulation)c选择适宜的传输波形(shaping),d均衡技术,光传输信道编码,摘要,光信道编码,光调制格式,光OFDM调制,光纤毫米波调制,光调制器件,考虑光信号的电场一般表达式如以下图所示。电场的参量包括振幅A、频率0、相位和偏振方向e。,光调制格式,由此相对应的，调制振幅可以得到ASK信号，调制频率那么产生FSK信号，调制相位产生PSK或DPSK信号，调制偏振方向产生POLSK信号。另外，结合两种相对独立的调制方式可形成如幅度相位联合调制，偏振相位联合调制的正交调制。,光调制格式,10Gbit/s和10Gbit/s以下的低速率系统：,传输损伤的影响并不严重,传统的NRZ信号能够满足目前系统的需要,当速率提高到40Gbit/s甚至100Gbit/s时：,非线性和色散的影响将变得很严重,NRZ调制信号已不能满足需要,各种新型调制格式多进制光调制应运而生,多进制光调制不仅可以抑制传输损伤而且只需要在光传输系统的发射端和接收端更换相应的设备，不需要对已有的传输线路作很大的改动，有利于降低系统的升级本钱，多进制调制是当前光传输领域研究的热点，它在提高频谱利用率和抑制各种传输损伤方面有明显优势。,目前研究的多进制调制主要包括单纯的多进制相位调制如8DPSK以及幅度相位联合、偏振相位联合的正交调制，研究热点集中在幅度相位联合调制的ASK-DQPSK、IRZ-DQPSK以及偏振复用相位调制的PM-QPSK。,多进制光调制,D8PSK调制格式,发射机：,优点：每一个差分相位代表三比特信息，频谱效率提高。,缺点：星座距离近，接收机复杂，系统本钱大,接收机,：,多进制光调制,ASK-DQPSK调制格式,发射机,:,接收机,：,优点：充分利用星座间距，接收机结构简化，降低本钱。,缺点：ASK信号的消光比非线性影响相位支路性能,多进制光调制,IRZ-DQPSK调制格式,发射机,:,接收机,：,优点,：,占空比可调、相位联续、逻辑简单，抗非线性能力强,多进制光调制,DP-QPSK调制格式,多进制光调制,优点,：能提供,更高的频谱效率，更大的色散容忍度。,接收机：,发射机：,摘要,光信道编码,光调制格式,光OFDM调制,光纤毫米波调制,光调制器件,全光OFDM,将OFDM技术用于光纤通信，由于每路子信道的速率相对较低，使得复用后的高速OFDM信号对色度色散CD和偏振模色散PMD容忍性大大提高。又因为各个子信道相互正交，相比于WDM不需要设置频带保护间隔，如下图，在有限的频带内其可以提供很高的频带利用率。,全光OFDM,全光,OFDM,调制解调,发射机,:,接收机：,全光解复用：光,DFT,全光OFDM调制两路正交,全光OFDM解复用两路正交,全光OFDM研究方向,1.全光OFDM系统中的色散补偿和非线性抑制。,2.全光正交频分复用中PAPR的抑制。,3.全光OFDM系统中如何抑制相位噪声，偏振模噪声的影响。,4.全光正交频分复用/解复用的可集成芯片的研究。,5.光OFDM系统中光源的产生。,摘要,光信道编码,光调制格式,光OFDM调制,光纤毫米波调制,光调制器件,在最近20年中，Internet业务量的飞速开展和人类通信方式的改变使用户对网络带宽的需求越来越大，为了满足用户的这种对带宽和业务的需求，许多光通信和无线通信技术已经逐渐被应用于接入网，接入网不断朝着融合的方向加速开展，宽带化、分组化、多样化和光纤化宽带化及多业务网络平台化无疑是接入网开展的大趋势，无线化和宽带化是当今通信业乃至整个信息业的热点。光载射频ROF系统是一种光纤和无线融合的物理层实现技术，该技术利用，利用光纤低损耗、超宽带以及抗电磁干扰等特性来传输宽带射频无线信号，是解决下一代超宽带无线接入的重要技术。,光纤毫米波调制,系统构成,ROF系统就是利用光纤代替大气来传输无线信号。典型的ROF系统一般由三局部组成：中兴站CO、光纤链路和基站BS，其系统框图如图1.1所示。由图可知，多个基站BS通过光纤与中心站CO相连接，光纤起传输作用，路由、交换和信号处理等都集中在中心节点。,光纤毫米波调制,优点,ROF技术集聚了光纤和高频电波两者的优点，其特点为：,一、低损耗。采用具有低损耗特性的光纤作为传输媒质来传输毫米波信号，只需较小的功率就可以传输较远的距离，减少了系统的功率损耗，降低了系统本钱；,二、高带宽。光纤有很高的带宽，不考虑长距离传输损耗时，850nm、1310nm和1550nm这三个低损耗窗口的总带宽超过50THz；,三、不受电磁干扰。毫米波信号是以光的形式在光线中传输，不受其他电磁信号的干扰；,四、易安装和维护。ROF系统中，昂贵复杂的设备都集中在中心站，而数量较多的基站结构设备都十分简单。,光纤毫米波调制,关键技术,用光学的方法产生微波或毫米波信号是进来受到关注的研究课题，高质量的毫米波信号生成是实现ROF系统的关键技术之一。其技术大致分为：,1基于外部调制器的光生毫米波技术；,2基于双波长激光器的光生毫米波技术；,3基于不同激光器外差的光生毫米波技术。,其中基于外部调制器的方案是一种相对成熟、代价地的技术。现有的调制技术主要有双边带DSB调制、单边带SSB和抑制载波双边带OCS调制。,光纤毫米波调制,DSB调制技术,在DSB调制系统中，基带信号主要调制到中心光载波和两个一阶边带上，生成频率为输入射频本振频率2倍的光毫米波信号，通过一段单模光纤SMF传输到接收端，经光电探测器PD拍频检测，再经过带通滤波，就可以产生电一个携带了基带信号、频率为的电毫米波信号。,光纤毫米波调制,SSB调制技术,在SSB调制系统中，基带信号主要调制到中心光载波和其中一个一阶边带上，生成频率为输入射频本振频率的光毫米波信号，通过一段单模光纤SMF传输到接收端，经光电探测器PD拍频检测，再经过带通滤波，产生一个电毫米波信号。,光纤毫米波调制,OCS调制技术,在OCS调制系统中，基带信号主要调制到两个一阶边带上，生成频率为输入射频本振频率2倍的光毫米波信号，通过一段单模光纤SMF传输到接收端，经光电探测器PD拍频检测，再经过带通滤波，产生一个电毫米波信号。,光纤毫米波调制,采用多路单边带调制：在普通单边带调制的根底上稍加改动，实现一个光源和调制器同时传输二路或者多路单边带信号，进一步提高系统频谱利用率，成倍的增加系统的传输效率。,光纤毫米波调制,提出新型双边带调制方案，防止周期性衰落、码元时移，同时承载两路射频信号，已经完成色散、非线性性能分析仿真，方案用实验验证方案优越性,光纤毫米波调制,研究光生毫米波的新方法，提出简单、灵活的8倍频毫米波生成方案。串联结构，不受在功率分配不均影响，不需要光学滤波器，功能灵活，2、4、6、8倍频,研究各项设计参数变化对系统性能影响，通过仿真或实验验证。,光纤毫米波调制,摘要,光信道编码,光调制格式,光OFDM调制,光纤毫米波调制,光调制器件,与CMOS工艺兼容,尺寸小、易集成,半径：几个到几十个微米,波导宽度：几百个纳米,易于光电混合集成,适于光信号处理,Si/SiO,2,之间的折射率差很大,周期线性高Q滤波效应,环内能形成很强的内建场,各种非线性效应阈值低,Si,SiO,2,450 nm,250 nm,光调制器件,硅基微环的结构和优点,硅基微环的线性特性,a:衰减系数;f:相移;t:直接耦合系数;r:交叉耦合系数,Y.Chen and S.Blair,J.OSA B,2125(2003),在环中绕一周相移位2k