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摘要摘要 光信道编码光信道编码 光调制格式光调制格式 光光OFDM调制调制 光纤毫米波调制光纤毫米波调制 光调制器件光调制器件第1页/共49页摘要摘要 光信道编码光信道编码 光调制格式光调制格式 光光OFDM调制调制 光纤毫米波调制光纤毫米波调制 光调制器件光调制器件第2页/共49页光传输信道编码光传输信道编码 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发展，单信道速率不断提升，复用信道数目变大，差错控制技术成为必不可少的一部分。 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差错控制一般需要采用前向纠错技术。FEC不会过多地加大系统成本，但不会过多地加大系统成本，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成本限和系列成本，提高系统通信的可靠性。第3页/共49页光传输信道编码光传输信道编码加入FEC的光传输系统示例：第4页/共49页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，比如： 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对比如下图所示光传输信道编码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第5页/共49页光传输信道编码光传输信道编码 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，则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，比如说考虑无色散的情况，或者将非线性近似为乘性噪声等等。 22222AiAAiA Azt其中， 表示光信号， 表示噪声衰减， 表示色散， 表示科尔非线性。 ( , )A z t第6页/共49页光传输信道编码光传输信道编码 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。9151010第7页/共49页第8页/共49页 现有的和研究较多的光传输信道编码： RSRS码：码：编译码算法简单，硬件实现速度快，性能稍差； TurboTurbo码：码：性能良好，逼近香农限，译码复杂度高； LDPCLDPC码：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，很低的差错平层，并且编码和译码算法的复杂度要尽量的低。光传输信道编码第9页/共49页 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开销小于开销小于7%。 光传输信道编码第10页/共49页 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的误块率要求的误块率要求为 ，即误码率要误码率要求大约为求大约为 ，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。 重点研究重点研究LDPC码码，即低密度奇偶校验码（Low Density Parity Check Code，LDPC）不仅有逼近有逼近Shannon限的良限的良好性能好性能，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差错平层特性较低的差错平层特性(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, 硬件复杂度低硬件复杂度低,适合硬件实现，吞吐量吞吐量大，大，极具高速译码潜力。光传输信道编码54 1051 1062.5 1076.25 10125 10第11页/共49页研究方向：寻找性能优译码简单的信道码如： a）准循环LDPC码 b）不规则LDPC码降低超长距离光纤信道可靠传输的误码率： a）选择合适的星座点 （Constellation Design） b）优化编码调制方案 （Coded Modulation) c）选择合适的传输波形(shaping) d）均衡技术 光传输信道编码第12页/共49页摘要摘要 光信道编码光信道编码 光调制格式光调制格式 光光OFDM调制调制 光纤毫米波调制光纤毫米波调制 光调制器件光调制器件第13页/共49页考虑光信号的电场一般表达式如下图所示。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ee由此相对应的，调制振幅可以得到ASK信号，调制频率则产生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。第14页/共49页光调制格式10Gbit/s和和10Gbit/s以下的低速率系统：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当速率提高到40Gbit/s甚至甚至100Gbit/s时：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（多进制光调制多进制光调制）应运而生第15页/共49页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成本有利于降低系统的升级成本，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。多进制光调制第16页/共49页D8PSKD8PSK调制格式调制格式发射机： 优点优点：每一个差分相位代表三比特信息，频谱效率提高。 缺点缺点：星座距离近，接收机复杂，系统成本大接收机：多进制光调制第17页/共49页ASK-DQPSKASK-DQPSK调制格式调制格式 发射机: :接收机： 优点优点：充分利用星座间距，接收机结构简化，降低成本。 缺点缺点：ASK信号的消光比非线性影响相位支路性能 多进制光调制第18页/共49页IRZ-DQPSKIRZ-DQPSK调制格式调制格式 发射机: :接收机： 优点优点：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第19页/共49页DP-QPSKDP-QPSK调制格式调制格式 多进制光调制 优点优点：能提供更高的频谱效率，更大的色散容忍度。接收机：发射机：第20页/共49页摘要摘要 光信道编码光信道编码 光调制格式光调制格式 光光OFDM调制调制 光纤毫米波调制光纤毫米波调制 光调制器件光调制器件第21页/共49页全光OFDMee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，如图所示，在有限的频带内其可以提供很高的频带利用率。 第22页/共49页全光OFDMee全光全光OFDM调制解调调制解调 发射机: :接收机：01220( )()knNjjf k tNnkd tS k t ee全光解复用：光DFT第23页/共49页全光OFDM调制（两路正交）第24页/共49页全光OFDM解复用（两路正交）第25页/共49页全光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。第26页/共49页摘要摘要 光信道编码光信道编码 光调制格式光调制格式 光光OFDM调制调制 光纤毫米波调制光纤毫米波调制 光调制器件光调制器件第27页/共49页 在最近20年中，Internet业务量的飞速发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发展，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发展的大趋势，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。光纤毫米波调制第28页/共49页系统构成ROF系统就是利用光纤代替大气来传输无线信号。典型的ROF系统一般由三部 分 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。光纤毫米波调制第29页/共49页优点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，降低了系统成本；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。光纤毫米波调制第30页/共49页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。光纤毫米波调制第31页/共49页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。光纤毫米波调制第32页/共49页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。光纤毫米波调制第33页/共49页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。光纤毫米波调制第34页/共49页采用多路单边带调制：在普通单边带调制的基础上稍加改动，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。光纤毫米波调制第35页/共49页提出新型双边带调制方案，避免周期性衰落、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，计划用实验验证方案优越性 光纤毫米波调制第36页/共49页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。光纤毫米波调制第37页/共49页摘要摘要 光信道编码光信道编码 光调制格式光调制格式 光光OFDM调制调制 光纤毫米波调制光纤毫米波调制 光调制器件光调制器件第38页/共49页 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/SiO2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SiSiO2450 nm250 nm光调制器件硅基微环的结构和优点第39页/共49页硅基微环的线性特性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(0)( )inoutEirtEEtirE L2( )(0)LiE Lae EaekLY. Chen and S. Blair, J. OSA B, 2125 (2003)在环中绕一周相移位2kp的光将发生谐振taarttaeaertEEiiinout1122第40页/共49页硅基微环的周期谐振特性硅基微环的周期谐振特性幅频特性(滤波)相频特性延迟特性Y. Chen and S. Blair, J. OSA B, 2125 (2003)l谐振谐振特性漂移1. 受热：L改变 强光照射 (ms) 加热电极 (ms)2. 载流子：n改变 强光照射 (ns) 外加电压 (ps)3. Kerr：n改变 强光照射第41页/共49页光调制器光调制器光调制器就是实现从电信号到光信号的转换的器件常用的光调制器有MZM调制器， PM调制器等等缺点：体积大， 不易于集成第42页/共49页0.4-Gb/sQ. Xu, et al., Nature, vol. 435, May. 2005, pp. 325-327基于光学微环的光调制器第43页/共49页缺点：缺点：耦合输入输出、工艺复杂、制备成本高第44页/共49页可集成耦合微腔光学滤波器结构示意图 1、2spiral变形微腔，3、4输入/输出波导，5两微腔耦合区域InOut 新方案新方案G. D. Chern et al, Appl. Phys. Lett, (2003)Spiral微腔第45页/共49页仿真结果仿真结果解决了光调制器的耦合问题！解决了光调制器的耦合问题！第46页/共49页光编码光调制研究展望光编码光调制研究展望n 从理论研究出发，不断摸索发展方向n 物理与数学相结合，不断深入本质规律n 器件、功能模块、链路、系统、网络，全面掌握研究能力，开展多角度立体研究n 在搞好理论分析设计的基础上，有针对性地开展实验研究，提升研究水平和层次，节省研究经费n 欢迎各位老师同学加入研究队伍，完成好973课题研究第47页/共49页谢 谢!第48页/共49页感谢您的观看！第49页/共49页
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